BÀI 1
TÍNH CHẤT LƯU BIẾN – ĐO ĐỘ LƯU ĐỘNG CỦA HỒ GỐM SỨ
Lưu biến học nghiên cứu biến dạng vật liệu thực và hiện tượng chảy của chất lỏng
nhớt. Mục đích là tìm hiểu và tính toán được quan hệ giữa ứng suất và biến dạng, vận
tốc biến dạng, hiểu được quan hệ giữa cấu trúc vật liệu và các tính chất cơ học và lưu
biến của nó.
Dưới tác dụng của ngoại lực mọi vật thể đều biến dạng.
- Biến dạng đàn hồi là thuận nghịch.
- Biến dạng dẻo có tính vĩnh cửu. Khi tiếp tục có ứng suất, biến dạng tiếp tục tăng
lên. Khi ứng suất biến mất, biến dạng dừng lại và vật thể vẫn giữ nguyên hình dạng đã
bị biến dạng.
- Biến dạng nhớt hay dòng chảy
ηDτ= (1.1); dS
dv
D= (1.2)
trong đó: D - vận tốc biến dạng, τ - ứng suất trượt, η - độ nhớt động lực.
Chất lỏng tuân theo công thức 1.1 gọi là chất lỏng Newton, ứng suất ở đây là ứng
suất tiếp tuyến. η là hằng số và phụ thuộc vào cấu trúc của từng loại chất lỏng. Độ
nhớt động học thể hiện mức độ nhớt dính chống lại chuyển động của từng lớp chất
lỏng với nhau để chảy thành dòng. Đơn vị của η là Pa.s (N.s/m2).
Độ nhớt động lực và mật độ là hai thông số cơ bản của một chất lỏng, chúng
thường cùng xuất hiện trong các phương trình truyền nhiệt, truyền chất và dòng chảy.
Vậy để thuận tiện, người ta đưa ra khái niệm độ nhớt động ν. Chúng ta có quan hệ
ρ
η
ν= (1.3) trong đó ρ là mật độ của chất lỏng hay chất lỏng nóng chảy (kg.m-3).
Đơn vị của ν là m2.s-1.
Tồn tại một số chất lỏng có hệ số độ nhớt η không là hằng số mà thay đổi phụ
thuộc vào ứng suất trượt, hay chất lỏng chảy thành dòng chỉ sau khi ứng suất vượt qua
cái gọi là ứng suất trượt giới hạn τm. Chúng đều được gọi là chất lỏng không Newton.
Các loại chất lỏng được thể hiện trên hình 1.1.
Hình 1.1. Đường cong dòng chảy của các loại vật liệu lý tưởng theo phương
trình D = f(
τ
). 1-chất lỏng Newton η
τ
D=, 2-chất lỏng giả dẻo D = k
τ
n khi n > 1, 3-
chất lỏng dãn nở D = k
τ
n khi n < 1, 4-chất lỏng Bingham η
ττ
DK
−
=, 5-chất lỏng giả
dẻo có ứng suất trượt giới hạn
τ
K trong công thức
(
)
η
ττ
D
2
K
−
=, 6-vật liệu dãn nở
có ứng suất trượt giới hạn
τ
K trong công thức D = k(
τ
-
τ
K)n, n <1, đường nét đứt thể
hiện diễn biến của độ nhớt biểu kiến tương ứng với điểm x trên đường cong 2 và điểm
y trên đường cong 6.
Tính chất lưu biến của huyền phù (hồ) và phối liệu dẻo gốm sứ, cụ thể là tính chất
biến dạng và dòng chảy rất quan trong trong quá trình tạo hình. Các thông số quan
trọng như độ nhớt, giới hạn dòng, mô đun đàn hồi không chỉ thể hiện rõ tính chất đặc
trưng của nguyên phối liệu mà còn thực sự rất cần thiết để hoàn thiện quá trình gia
công và chuẩn bị nguyên liệu, quá trình tạo hình và kiểm tra vận hành các thiết bị gia
công.
Tính chất lưu biến có thể được thể hiện theo nhiều mô hình cơ học, có thể biểu
diễn theo nhiều phương trình toán học như đã đề cập ở trên. Vật liệu phù hợp với một
mô hình đơn giản chúng ta gọi là vật liệu lý tưởng. Vật liệu chỉ biểu hiện gần đúng
theo một mô hình chúng ta gọi là vật liệu lý tưởng hay vật liệu thực.
Biểu hiện lưu biến của huyền phù và phối liệu dẻo thể thiện theo phương trình
D(τ). Vật liệu nhớt lý tưởng (vật liệu Newton) có D(τ) là tuyến tính. Độ nhớt động lực
η được tính như là tgα
D
τ
tgαη == [Pa s], trong đó: τ-ứng suất trượt [Pa], D-gradient vận tốc [s-1].
Hình 1.2. Các loại ứng xử lưu biến của vật liệu. a) Vật liệu Newton, b) Vật liệu
Bingham. Khi
α
tăng lên, huyền phù keo tụ, khi
α
giảm xuống, huyền phù giải keo tụ.
Nếu như các hạt tập hợp lại, chẳng hạn như các hạt dạng tấm có cạnh gắn vào bề
mặt, hệ bắt đầu thể hiện như một vật rắn và biến dạng khi ứng suất tác dụng vượt qua
một ứng suất nhất định nào đó gọi là giới hạn dòng τK. Vật liệu này được gọi là vật
liệu Bingham. Độ nhớt động lực tính theo phương trình
D
ττ
ηK
−
= với τK là giới hạn dòng [Pa].
Như đã nói ở trên, đối với vật liệu thực phương trình D(τ) là phi tuyến (là đường
cong) và có thể
-Phi tuyến không phụ thuộc thời gian: quá trình xảy ra khi tăng vận tốc biến dạng
và giảm vận tốc biến dạng đều xảy ra như nhau, như trên hình 1.1.
-Phi tuyến phụ thuộc vào thời gian: quá trình xảy ra khi tăng vận tốc biến dạng và
khi giảm vận tốc biến dạng có hiện tượng trễ. Xem hình 1.3.
Hình 1.3. Vật liệu lưu biến phụ thuộc vào thời gian. 1-thixotropy dương, 2-
rheopexy dương, 3-thixotropy âm, 4-rheopexy âm.
Tuỳ theo diễn biến của đường cong biến dạng có thể đánh giá cấu trúc và ứng xử
của vật liệu. Chẳng hạn như, nếu pha phân tán dạng rắn có xu hướng ít hấp phụ môi
trường phân tán lên bề mặt của nó, khi vận tốc biến dạng cao, do ma sát giữa các bề
mặt hạt rắn làm vật liệu thể hiện tính dòn và mất đi tính liên tục của nó. Như vậy vật
liệu sẽ có độ nhớt biểu kiến tăng lên và được xem như có tính dãn nở (xem đường
cong 3 trên hình 1.1). Ngược lại, nếu các hạt kết tụ nhau lại, chẳng hạn, các hạt dạng
tấm gắn kết theo kiểu cạnh-mặt phẳng, khi hệ biến dạng và ứng suất vượt qua một
ứng suất nhất định nào đó, khi gradient vận tốc tăng lên thì độ nhớt có thể giảm đi.
Vật liệu này được gọi là dẻo (xem đường cong 5). Nếu vật liệu trong quá trình biến
dạng chuyển từ kiểu này sang kiểu khác thì được gọi là vật liệu nhớt cấu trúc.
Ở vật liệu phụ thuộc thời gian, khi tăng gradient vận tốc thì độ nhớt giảm, khi
giảm gradient vận tốc thì độ nhớt tăng và trên đường cong biến dạng sẽ có hiện tượng
trễ. Ứng xử như vậy của vật liệu gọi là hiện tượng thixotropy. Khi D không đổi, nếu
nhánh đi lên có τ lớn hơn nhánh đi xuống, vật liệu có thixotropy dương (dường 1 trên
hình 1.2), nếu nhánh lên có τ nhỏ hơn nhánh xuống thì vật liệu có thixotropy âm
(đường cong 3).
Quan sát hai loại vật liệu trên trên nhớt kế quay với vận tốc biến dạng cao, chúng
ta thấy rằng nếu huyền phù ban đầu được để yên, vật liệu có thixotropy dương khi
khuấy độ nhớt giảm đi, vật liệu có thixotropy âm khi khuấy độ nhớt tăng lên. Vì vậy
thixotropy được định nghĩa như là hiện tượng giảm độ nhớt một cách thuận nghịch
cùng với thời gian khi phương thức tác động không đổi.
Hiện tượng rheopexy của vật liệu được thể hiện bằng các đường cong 2 và 4 trên
hình 1.2.
Với vật liệu có giới hạn dòng cũng tương tự như vậy.
1.1. Đo độ nhớt huyền phù bằng nhớt kế ống chảy
Cơ sở của phương pháp này là định luật Poiseulle, khi chất lỏng chảy tầng ổn
định qua ống có chiều dài l, bán kính r, dưới áp suất p, trong thời gian t thì lượng chất
lỏng chảy qua là
l8
ptπr
V
4
η
=
Tuy nhiên chất lỏng khi chảy vào và ra khỏi ống mao dẫn không tuân theo chính
xác đúng như quy luật trên, Hagen đã sửa lại như sau
8Vl
ptπr4
=
η
- lt 8
1,1ρ
π
Đối với nhớt kế dòng chảy thì p = hρg, trong đó h-chênh lệch trung bình của hai
bề mặt chất lỏng trong nhớt kế, ρ-mật độ và g-gia tốc trọng trường.
Nếu chênh lệch bề mặt chất lỏng là không đổi chúng ta rút gọn phương trình trên
t
Bρ
tAρη −= [Pa s] trong đó: η là độ nhớt [Pa s], ρ-mật độ [kg m-3], t-thời gian [s].
Các hằng số thiết bị: A1-4,49.10-6 [m2 s-2], B1 – 4.94.10-4 [m2]
A2 – 5,63.10-6 [m2 s-2], B2 – 6,22.10-4 [m2]
Các hằng số A1,2; B1,2 có thể xác định theo từng nhớt kế dòng chảy cụ thể bằng
cách đo thời gian chảy của hai chất lỏng có độ nhớt đã biết (trong trường hợp này là
glycerin và nước).
Trong kỹ thuật người ta dùng khái niệm “độ lưu động của hồ”, đây là đại lượng tỉ
lệ nghịch với độ nhớt của hồ và được biểu diễn bằng công thức
η
1
=
ϕ
trong đó: ϕ-độ lưu động, η-độ nhớt của hồ.
Độ lưu động của hồ được đánh giá theo thời gian chảy của một khối lượng hôg
nhất định (100cm3) qua nhớt kế ống chảy. Hồ tiêu chuẩn là hồ có thời gian chảy 100
cm3 hồ trong 10 s.
Độ lưu động của hồ phụ thuộc vào tỉ số giữa phần vật chất rắn và lỏng (đất sét,
phối liệu và nước), lượng và loại chất điện giải thêm vào và tính chất của vật chất rắn.
Dụng cụ. Để xác định độ lưu động của hồ
đổ rót ta có thể dùng dụng cụ viscosimeter
Eugler (ống chảy). Kích thước ống: đường kính
Φ 6 mm, chiều dài ống lổ thoát l = 10 mm.
Các dụng cụ khác: giá đỡ, bình chứa hồ có
chia vạch I và II ứng với 100 cm3 hồ, cốc đựng
hồ 350 cm3. Nên đặt bình chứa hồ trong hệ
thống có nhiệt độ ổn định vì nhiệt độ có ảnh
hưởng trực tiếp đến độ nhớt của hồ.
1-giá đỡ, 2-ống thuỷ tinh, 3-vạch I và II
(100 cm3), 4-lổ thoát l = 10 mm, 5-cốc đựng
Xác định độ lưu động của hồ pha loãng
bằng nước
Phối liệu được nghiền nhỏ qua sàng 4900
lổ/cm2, cân khoảng 200 – 300 g gam phối liệu
cho vào cốc sứ hoặc cốc nhựa (hay thuỷ tinh).
Cho tiếp một lượng nước cất để phối liệu có độ ẩm tương đối 50%. Xong để 10 – 12
giờ. Nhớ chuẩn bị 3 cốc song song: cốc dùng để xác định độ lưu động pha loãng bằng
chất điện giải, pha loãng bằng nước và cốc xác định độ sánh của hồ.
Mẫu phối liệu hồ được đưa vào máy khuấy để khuấy đồng nhất. Tiến hành khuấy
trong 5 phút sau lúc cho dần nước vào cốc (dùng buret cho nước vào mỗi lần 5 cm3
càng về sau lượng nước càng ít lại). Sau khi khuấy hồ ở trạng thái chảy lỏng, đem hồ
đổ vào bình nhớt kế ống chảy và để yên trong một phút (chú ý lúc đổ hồ cần bịt lổ lại
để tránh hồ chảy ra ngoài). Sau đó mở lổ cho hồ chảy xuống cốc 5. Bấm đồng hồ xác
định thời gian hồ chảy trong khoảng vạch I đến II của dụng cụ.