せん断減粘性

レオロジーにおいて、せん断減粘とは、せん断ひずみによって粘度が低下する流体の非ニュートン挙動のことである。これは擬塑性挙動と同義とみなされることもあり、[ 1 ] ^{[ 2 ]通常はチキソトロピー}などの時間依存効果を除外して定義される。^{[ 3 ]}

せん断減粘は、流体の非ニュートン挙動の中で最も一般的なタイプであり、多くの産業用途や日常生活用途で見られます。^{[ 4 ]}一般的に、低分子量の純粋な液体や、スクロースや塩化ナトリウムなどの小分子の理想溶液ではせん断減粘は観察されませんが、ポリマー溶液や溶融ポリマー、ケチャップ、ホイップクリーム、血液、^{[ 5 ]}塗料、マニキュアなどの複雑な流体や懸濁液ではよく観察されます。

せん断減粘の正確な原因は完全には解明されていませんが、流体内の微細な構造変化の影響であり、流体内の微細な形状が再配置されてせん断を促進すると考えられています。^{[ 6 ]}コロイド系では、流れ中の相分離がせん断減粘を引き起こします。ポリマー溶融物や溶液などのポリマー系では、流れ中のポリマー鎖の絡まりが解けることがせん断減粘の原因です。静止状態では、高分子量ポリマーは絡まり合ってランダムに配向しています。しかし、十分に高い速度で撹拌されると、これらの高度に異方性のポリマー鎖は絡まりが解け始め、せん断力の方向に沿って整列します。^{[ 7 ]}これにより、分子/粒子間の相互作用が減少し、自由空間が大きくなり、粘度が低下します。^{[ 4 ]}

べき乗則モデル

十分に高いせん断速度と非常に低いせん断速度の両方において、ポリマー系の粘度はせん断速度に依存しません。高いせん断速度では、ポリマーは完全に絡み合いが解消され、系の粘度値はη∞ 、すなわち無限せん断粘度プラトーで_{一定になります。低いせん断速度では、せん断速度が低すぎて絡み合いによる阻害を受けず、系の粘度値はη0 、}すなわちゼロせん断速度粘度になります。η∞の値は達成可能な最低粘度_を表し、せん断減粘の程度によってはη0よりも 桁違いに低くなる場合があります。

粘度は、log(η)対log(${\displaystyle {\dot {\gamma }}}$）プロットでは、線形領域はせん断減粘領域であり、オストワルドとデ・ワーレのべき乗則方程式を使用して表現できます。^{[ 8 ]}

$\displaystyle \tau =K(T)\left({d\gamma \over dt}\right)^{n}=K(T){\dot {\gamma }}^{n}}$

オストワルド・デ・ワーレ方程式は対数形式で表すことができる。

${\displaystyle \log(\tau )=\log(K)+n\log \left({\dot {\gamma }}\right)}$

見かけ粘度は次のように定義される。${\displaystyle \eta ={\tau \over {\dot {\gamma }}}}$そして、これをオストワルド方程式に代入すると、見かけ粘度に関する2つ目のべき乗則方程式が得られる。

${\displaystyle \eta =K(T){\dot {\gamma }}^{n-1}}$

この式は、nの値が1より大きい場合、ダイラタント（せん断増粘）挙動を記述するためにも使用できます。

液体の粘度を記述する際には、せん断減粘（擬塑性）挙動とチキソトロピー挙動を区別することが有用である。これは、液体の微細構造が元の状態に戻るには、常にゼロでない時間が必要となるためである。しかし、擾乱後の粘度の回復が非常に速い場合、観察される挙動は古典的なせん断減粘または擬塑性である。これは、せん断が除去されるとすぐに粘度が正常値に戻るためである。粘度が回復するのに測定可能な時間を要する場合、チキソトロピー挙動が観察される。^{[ 9 ]}ただし、液体の粘度を記述する際には、攪拌後に一定期間、すべてのせん断速度で粘度が低下するチキソトロピー挙動と、せん断減粘（擬塑性）挙動を区別することが有用である。これらの効果は、同じ液体で別々に観察されることが多い。^{[ 10 ]}

壁用塗料は擬塑性材料です。^{[ 11 ]}現代の壁用塗料を塗布する際、ブラシやローラーによって生じるせん断力により、塗料が薄くなり、表面に均一に浸透します。塗布後、塗料は高い粘度を取り戻し、垂れや流れを防ぎます。

ケチャップはせん断減粘性物質であり、静止状態では粘性がありますが、ボトルを絞ったり、振ったり、叩いたりして攪拌すると、急速に流れます。^{[ 11 ]}

ホイップクリームはせん断減粘性物質でもある。^{[ 6 ]}ホイップクリームを容器から噴射すると、流量が多いときに粘度が低いため、ノズルからスムーズに流れ出る。しかし、ホイップクリームをスプーンに噴射すると、流れ出なくなり、粘度が増すため固くなる。

• 非ニュートン流体– 流体の種類 
• べき乗則流体– 一般化ニュートン流体の一種 
• ビンガム塑性体– 低応力では固体だが、高応力では粘性を示す材料 
• レオロジー― 主に流体状態における物質の流れを研究する学問 
• ケイ効果– 複雑な液体の特性 
• 時間依存粘度
• レオペクティ：流体がせん断ひずみを受ける時間が長くなるほど、粘度が高くなる。時間依存性のせん断増粘挙動。
• チキソトロピー：流体がせん断ひずみを受ける時間が長くなるほど、粘度が低下する。これは時間依存性のせん断減粘挙動である。
• せん断増粘：レオペクティに似ているが、時間の経過とは無関係である。
• 増粘剤
• ペイントシンナー

• ケチャップの大謎