Lưu biến học là gì?

Lưu biến học (Rheology) nghiên cứu về sự chảy của vật chất: Chủ yếu là các chất lỏng nhưng cũng có thể là các chất rắn mềm hoặc chất rắn trong điều kiện chúng bị chảy hơn là biến dạng đàn hồi. Sự chảy của các chất này không thể chỉ phụ thuộc vào độ nhớt vì độ nhớt biến đổi còn phụ thuộc vào các yếu tố khác. Sau khi Isaac Newton đưa ra khái niệm độ nhớt thì các nghiên cứu khác nhau về độ nhớt của chất lỏng thường được gọi là Cơ học chất lưu phi Newton. Thuật ngữ lưu biến học được đặt ra bởi Eugene C. Bingham, giáo sư trường Cao đẳng Lafayette, vào năm 1920 theo đề nghị của một đồng sự là Markus Reiner. Để đo đạc các đặc điểm ứng xử của vật liệu lưu biến trong phòng thí nghiệm người ta dùng lưu biến kế. Các khía cạnh của lưu biến học liên quan đến ứng xử biến dạng hoặc chảy của các vật liệu và cấu trúc bên trong của nó (như sự định hướng và kéo dài của các phân tử polyme), và ứng xử biến dạng/chảy của các vật liệu không mô tả bằng cơ học chất lưu truyền thống hay đàn hồi.

Ứng dụng lưu biến học của Polyme

Polyme là những chất đàn hồi - nhớt, chúng thể hiện tính chất nhớt hoặc đàn hồi, phụ thuộc vào chúng chảy nhanh như thế nào hoặc quá trình biến dạng của chúng. 

Đặc tính đàn hồi - nhớt của vật liệu polyme không những phụ thuộc vào thời gian mà cả nhiệt độ. Silicon là ví dụ điển hình của trạng thái cực kỳ đàn hồi - nhớt của polyme. Người ta biết silicon như một chất mới lạ, như là một loại chất dẻo gắn (trám matit): khi nó được viên thành viên bi rồi thả xuống bề mặt nằm ngang, nó bị nảy lại một cách đàn hồi đồng thời bị biến dạng rất nhanh. Mặt khác nếu bị kéo nó bị duỗi ra theo sự tăng từ từ của tải trọng đặt vào, vật liệu bị kéo dài hoặc chảy như chất lỏng nhớt. Như vậy mức độ biến dạng cũng quyết định biến dạng là đàn hồi hay nhớt

Mối quan hệ giữa cấu trúc và lưu biến học 

Để đảm bảo một quy trình vận hành trơn tru, phải kiểm soát lưu biến học của vật liệu trong phạm vi quy định. Mối quan hệ cấu trúc - lưu biến học là chìa khóa cho sự phát triển quá trình sản xuất của các polyme. Mục tiêu cuối cùng của kỹ sư thiết kế là thay đổi cấu trúc vật liệu để mang lại hiệu suất xử lý quá trình tốt hơn mà không làm mất hiệu suất của sản phẩm cuối cùng. Do tính nhạy cảm với các thay đổi về cấu trúc của vật liệu, sự biến đổi cũng là kỹ thuật mong muốn để kiểm soát quá trình. Chất lượng sản phẩm có thể được đảm bảo và giảm thời gian của dây chuyền sản xuất.

Các thông số cấu trúc quan trọng xác định lưu biến học của các polyme là trọng lượng phân tử (MW-molecular weight), phân bố trọng lượng phân tử (MWD- molecular weight distribution) và phân nhánh. Trong khi sự gia tăng trọng lượng phân tử làm tăng độ nhớt, sự thay đổi phân bố trọng lượng phân tử và phân nhánh chủ yếu ảnh hưởng đến độ đàn hồi của polyme. Sự phụ thuộc thời gian bị ảnh hưởng bởi cả hai. 

Lưu biến học (Rheology) là một kỹ thuật đặc trưng quan trọng để phát triển vật liệu với các đặc tính vật lý mong muốn và để kiểm soát quá trình sản xuất nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm.

Kết luận

-    Lưu biến học (Rheology) rất nhạy cảm đối với những thay đổi nhỏ trong cấu trúc của polyme, có thể gây những tác động lý tưởng đến các đặc tính của polyme, do đó mối quan hệ giữa lưu biến học và cấu trúc của polyme (Rheology-Structure) chính là chìa khóa để phát triển các vật liệu mới.
-    Bởi vì sự nhạy cảm của quá trình sản xuất đến cấu trúc polyme, vật liệu cần phải được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo khả năng xử lý tốt. Lưu biến học là thanh công cụ phù hợp nhất để kiểm soát quá trình và chất lượng.
-    Đối với các vậy liệu phức tạp (hệ thống nhiều pha), mối quan hệ giữa lưu biến học và cấu trúc khá là mơ hồ, bởi vì hành vi lưu biến học không phải là một đại diện duy nhất tác động đến cấu trúc của polyme. Các phương pháp thử nghiệm bổ sung phải được sử dụng kết hợp với phép đo lưu biến để có thể đồng thời đóng góp đến những yếu tố cấu trúc khác nhau. Các phương pháp đo quang học, nhiệt , điện môi … là những ứng cử viên tiềm năng được sử dụng đồng thời với phép đo lưu biến.
-    Tuy nhiên, ngày nay, lưu biến học là một tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp polyme để mô tả đặc tính vật liệu với mục tiêu phát triển các vật liệu mới tốt hơn với chất lượng mong muốn.

Vân Anh (Tổng hợp)