The rheology of suspensions of solid particles

流变学 分散性 粒子(生态学) 胶体 热力学 材料科学 粘度 悬挂(拓扑) 物理 机械 化学 数学 高分子化学 地质学 海洋学 物理化学 纯数学 同伦
作者
Sebastian Mueller,Edward W. Llewellin,HM Mader
出处
期刊:Proceedings of The Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences [The Royal Society]
卷期号:466 (2116): 1201-1228 被引量:795
标识
DOI:10.1098/rspa.2009.0445
摘要

We present data for the rheology of suspensions of monodisperse particles of varying aspect ratio, from oblate to prolate, and covering particle volume fractions ϕ from dilute to highly concentrated. Rheology is characterized by fitting the experimental data to the model of Herschel & Bulkley (Herschel & Bulkley 1926 Kolloid Z. 39 , 291–300 ( doi:10.1007/BF01432034 )) yielding three rheometric parameters: consistency K (cognate with viscosity); flow index n (a measure of shear-thinning); yield stress τ 0 . The consistency K of suspensions of particles of arbitrary aspect ratio can be accurately predicted by the model of Maron & Pierce (Maron & Pierce 1956 J. Colloid Sci. 11 , 80–95 ( doi:10.1016/0095-8522(56)90023-X )) with the maximum packing fraction ϕ m as the only fitted parameter. We derive empirical relationships for ϕ m and n as a function of average particle aspect ratio r p and for τ 0 as a function of ϕ m and a fitting parameter τ *. These relationships can be used to predict the rheology of suspensions of prolate particles from measured ϕ and r p . By recasting our data in terms of the Einstein coefficient, we relate our rheological observations to the underlying particle motions via Jeffery’s (Jeffery 1922 Proc. R. Soc. Lond. A 102 , 161–179 ( doi:10.1098/rspa.1922.0078 )) theory. We extend Jeffery’s work to calculate, numerically, the Einstein coefficient for a suspension of many, initially randomly oriented particles. This provides a physical, microstructural explanation of our observations, including transient oscillations seen during run start-up and changes of rheological regime as ϕ increases.
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