اثر زبری سطح بر رئولوژی تعلیقه‌های کوپلیمر استیرن-آکریلیک اسید پوشش‌یافته با سیلیکا

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

شیراز، پژوهشکده مکانیک، کدپستی 414-71555

10.22063/jipst.2023.3371.2235

چکیده

فرضیه‌: امروزه با به‌کارگیری گسترده تعلیقه‌های ذرات زبر در صنعت شیمیایی تمایل به مطالعه درباره رفتار رئولوژی تعلیقه‌ها افزایش چشمگیری داشته است. یکی‌ از مهم‌ترین‌ زمینه‌های مطالعاتی درباره تعلیقه ذرات زبر، ارتباط گران‌شوندگی‌ برشی‌ با‌ اصطکاک بین‌ذره‌ای‌ ذرات است‌. بر این اساس در تعلیقه‌های غلیظ، مقدار افزایش گران‌روی و رفتار گران‌شوندگی‌ برشی،‌ متناسب با زبری‌ سطوح ذرات معلق درنظر گرفته می‌شود. 
روش‌ها: در این پژوهش، ذرات صاف (کوپلیمر استیرن-آکریلیک اسید) و زبر (کوپلیمر استیرن-آکریلیک اسید با پوشش سیلیکا) سنتز شدند و تعلیقه آن‌ها در محلول اتانول-آب با درصد حجمی ٢٠، ٣٤ و %٤٩ تهیه شد. سرعت برشی بحرانی شروع ناحیه گران‌شوندگی‌ تعلیقه در نسبت‌های متفاوت از ذرات زبر و صاف، به‌دست آمد. خواص رئولوژیکی به‌ روش تجربی به‌دست آمد و سپس از مدل‌های تجربی و نیمه‌تجربی همچون Herschel Barclay و Gopalakrishnan، برای ارتباط بین رئولوژی و ریزساختار تعلیقه‌ها استفاده شد.
یافته‌ها: مشاهده شد، با افزایش‌ درصد زبری‌ در ترکیب‌ درصد یکسان از ذرات، رفتار گران‌شوندگی‌ برشی‌ شدیدتری در مقادیر کمتری‌ از ذرات زبر اتفاق می‌افتد. همچنین، در نمونه‌ دارای بیشترین ترکیب درصد تعلیقه و تشکیل‌شده از %100 ذرات زبر با کمترین‌ مقدار Peclet، هیدروخوشه تشکیل می‌شود. دلیل ایجاد هیدروخوشه‌های بیشتر و حتی بزرگ‌تر وجود تماس‌های اصطکاکی در کنار نیروهای هیدرودینامیک عمل‌کننده بر ذرات است که در نهایت موجب افزایش اتلاف انرژی در سامانه و افزایش گران‌روی است. این موضوع نشان می‌دهد، وجود زبری‌ و افزایش‌ مقدار ذرات زبر، سامانه را به سمت‌ افزایش‌ گران‌روی در سرعت‌های‌ برشی‌ کمتری‌ هدایت می‌کند. همچنین انطباق مدل Gopalakrishnan بر داده‌های تجربی به‌طور مشخصی نشان می‌دهد، افزایش زبری موجب کاهش مقدار Pe بحرانی شروع ناحیه گران‌شوندگی برشی و نیز قوی‌ترشدن رفتار گران‌شوندگی برشی در سامانه می‌شود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Effect of Surface Roughness on the Rheology of Silica-Coated Styrene/Acrylic Acid Copolymer Suspensions

نویسندگان [English]

  • majid haghgoo
  • Hajar Es-Haghi
Institute of Mechanics, Postal Code 71555-414, Shiraz, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Today, due to the widespread use of coarse particle suspensions in chemical industry, the tendency to study the rheological behaviour of suspensions has increased significantly. One of the most important research fields is the study on friction of particles between them and the shear thickening behavior of their suspensions. In high-filled suspensions, the viscosity and the thickness of shear are proportional to the thickness of the suspended particles. 
Methods: This research is based on the syntheses of smooth particles (styrene/acrylic acid copolymers) and rough particles (silica-coated styrene/acrylic acid copolymers), with a volume proportion of 20%, 34% and 49% in the ethanol/water solution. The initial critical shear rate of suspension thickening regions was obtained in different ratios of rough and smooth particles. In addition, experimental and semi-empiric models such as Herschel Barclay and Gopalakrishnan have been used to describe the relationship between suspension rheology and microstructure. 
Findings:  It was observed that with the increase in roughness of the composition of the same percentage of particles, a more severe shear thickening behavior occurs in smaller amounts of rough particles. It was also observed that hydro-clusters were formed in samples that contain the highest proportion of suspension composition and consist of 100% coarse particles with the lowest amount of Peclet.  An increase in the amount of rough particles leads the system to an increase in viscosity at lower shear rates. Furthermore, the adaptation of the Gopalakrishnan model to experimental data clearly shows that an increase in roughness leads to a reduction in the critical value of Pe at the beginning of the shear thickening zone and a stronger shear thickness behavior in the system.

کلیدواژه‌ها [English]

  • rough particles
  • colloid suspensions
  • friction contacts
  • rheology
  • shear thickening behaviour

مراجع

  1. Mewis J. and Wagner N.J., Colloidal Suspension Rheology. Cambridge University, 102-108, 2012.
  2. Russel W.B., Saville D.A., and Schowalter W.R., Colloidal Dispersions, Cambridge University, 1991.
  3. Jamali S. and Brady J.F., Alternative Frictional Model for Discontinuous Shear Thickening of Dense Suspensions: Hydrodynamic, Rev. Lett., 123, 138002, 2019.
  4. More R.V. and Ardekan A.M., A Constitutive Model for Sheared Dense Suspensions of Rough Particles, J. Rheol., 64, 1107-1120, 2020;
  5. Hsu Ch., Ramakrishna Sh.N., Zanini M., Spencer N.D., and Isa L., Roughness-Dependent Tribology Effects on Discontinuous Shear Thickening, Natl. Acad. Sci. USA, 115, 5117-5122, 2018.
  6. Lootens D., Damme H.V., Hemar Y., and Hebraud P., Dilatant Flow of Concentrated Suspensions of Rough Particles, Rev. Lett., 95, 26831-26834, 2005.
  7. Seto R., Romain M., Morris J.F., and Denn M.M., Discontinuous Shear Thickening of Frictional Hardsphere Suspensions, Rev. Lett., 111, 2183, 2013.
  8. Hoyle Ch., Dai Sh., Tanner R., and Jabbarzadeh A., Effect of Particle Roughness on the Rheology of Suspensions of Hollow Glass microsphere particles, Non-Newtonian Fluid Mech., 276, 1-8, 2020.
  9. Hsu Ch., Baysal H.E., Wirenborn G., Martensson G., Wittberg L.P. and Isa L., Roughness-Dependent Clogging of Particle Suspensions Flowing into a Constriction, Soft , 17, 7252–7259, 2021,
  10. Dendukuri D. and Doyle P.S., The Synthesis and Assembly of Polymeric Microparticles Using Microfluidics, Mater., 21, 4071-4086, 2009.
  11. Wagner N.J. and Brady J.F., Shear Thickening in Colloidal Dispersions, Today, 62, 27-32, 2009.
  12. Stober W., Fink A., and Bohn E., A Novel Method for Synthesis of Silica Nanoparticles, Colloid Interface Sci., 26, 62-68, 1968.
  13. Golbang A., Navid Famili M.H., Mozaffar M., and Shirvan M., Dispersion of Zinc Oxide Nanoparticles in Polystyrene Matrix: Comparison of Rheological and Electrical Properties, J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 31, 99-109, 2018
  14. Thickett S.C. and Gilbert R.G., Emulsion Polymerization: State of the Art in Kinetics and Mechanisms, Polymer, 48, 6965-6991, 2007.
  15. Kodger T.E., Guerra R.E., and Sprakel J., Precise Colloids with Tunable Interactions for Confocal Microscopy, Scientific Reports, 5, 14635, 2015.
  16. Hsiao L.C., Jamali S., Emmanouil G., Green P.F., Larson R.G., and Solomon M.J., Rheological State Diagrams for Rough Colloids in Shear Flow, Rev. Lett., 119, 158001, 2017.
  17. Clavaud C., Berut A., Metzger B., and Forterre Y., Revealing the Frictional Transition in Shear-Thickening Suspensions, Natl. Acad. Sci. USA, 114, 5147, 2017.
  18. Palangetic L, Feldman K., Schaller R., Kalt R., Caseri W.R., and Vermant J., From Near Hard Spheres to Colloidal Surfboards, Faraday Discuss., 191, 325-349, 2016.
  19. Montgomery D. and Altintas Y., Mechanism of Cutting Force and Surface Generation in Dynamic Milling, Ind. Eng. Int., 160, 113, 1991.
  20. Maranzano B.J. and Wagner N.J., The Effects of Interparticle Interactions and Particle Size on Reversible Shear Thickening: Hard-Sphere Colloidal Dispersions, Rheol., 45, 1222-1205, 2001.
  21. Wu X., Tian Y., Cui Y., Wei L., Wang Q., and Chen Y., Raspberry-Like Silica Hollow Spheres: Hierarchical Structures by Dual Latex Surfactant Templating Route, Phys. Chem. C, 111, 9704-9708, 2007.
  22. Qian Z., Zhang Z., Song L., and Liu H., A Novel Approach to Raspberry-Like Particles for Superhydrophobic Materials, Mater. Chem., 19, 1297-1304, 2009.
  23. Hwang H.S., Lee S.B., and Park I., Fabrication of Raspberry-Like Superhydrophobic Hollow Silica Particles, Lett., 64, 2159-2162, 2010.
  24. Zhou X., Shao H., and Liu H., Preparation and Characterization of Film-Forming Raspberry-Like Polymer/Silica Nanocomposites via Soap-Free Emulsion Polymerization and the Sol–Gel Process, Colloid Polym. Sci., 291, 1181-1190, 2013.
  25. Gopalakrishnan V. and Zukoski C., Effect of Attractions on Shear Thickening in Dense Suspensions, Rheol., 48, 1321-1344, 2004.
  26. Cross M.M., Rheology of Non-Newtonian Fluids: A New Flow Equation for Pseudoplastic Systems, Colloid Sci., 20, 417-437, 1965.
  27. Shang Q. and Zhou Y., Facile Fabrication of Hollow Mesoporous Silica Microspheres with Hierarchical Shell Structure via a Sol–Gel Process, Sol-Gel Sci. Technol., 75, 206-214, 2015.
  28. Kalman D.P. and Wagner N.J., Microstructure of Shear-Thickening Concentrated Suspensions Determined by Flow-USANS, Acta, 48, 897-908, 2009.

 

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار