Tính chất lưu biến là gì? Nghiên cứu về Tính chất lưu biến

Định nghĩa tính chất lưu biến

Tính chất lưu biến mô tả cách vật liệu phản ứng khi chịu tác động của ứng suất và biến dạng theo thời gian. Khác với cơ học chất rắn hoặc chất lỏng thuần túy, lưu biến nghiên cứu các vật liệu có hành vi trung gian, nơi chúng có thể thể hiện tính nhớt, tính đàn hồi hoặc sự kết hợp của cả hai tùy theo điều kiện tác động. Các vật liệu như polymer nóng chảy, huyền phù, nhũ tương, gel sinh học và nhiều vật liệu thực phẩm đều biểu lộ rõ tính lưu biến trong quá trình biến dạng hoặc dòng chảy. Các tổng quan khoa học đầy đủ hơn có tại ScienceDirect.

Tính chất lưu biến phản ánh cấu trúc vi mô của vật liệu vì sự sắp xếp và tương tác giữa các hạt, phân tử hoặc chuỗi polymer quyết định khả năng chống lại hoặc thích nghi với biến dạng. Do đó, các đặc tính lưu biến thường được dùng để đánh giá chất lượng vật liệu, mô phỏng chế tạo và tối ưu quy trình sản xuất trong nhiều ngành công nghiệp. Lưu biến học cũng đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu vật liệu sinh học, giúp hiểu rõ sự biến dạng của mô mềm hoặc dòng chảy của chất sinh học như máu.

Bảng sau minh họa sự khác nhau giữa ba nhóm vật liệu chính trong lưu biến:

Loại vật liệu	Đặc tính chính	Ví dụ
Chất lỏng Newton	Độ nhớt không đổi theo tốc độ biến dạng	Nước, glycerin
Chất lỏng phi Newton	Độ nhớt thay đổi theo tốc độ biến dạng	Sơn, kem đánh răng
Vật liệu viscoelastic	Kết hợp tính nhớt và đàn hồi	Polymer, gel, nhựa nóng chảy

Cơ sở lý thuyết về lưu biến

Cơ sở lưu biến dựa trên quan hệ giữa ứng suất và tốc độ biến dạng, hai đại lượng mô tả phản ứng của vật liệu dưới tác động ngoại lực. Đối với vật liệu đơn giản như chất lỏng Newton, ứng suất trượt được xác định theo biểu thức:

$\tau = \eta \cdot \dot{\gamma}$

Trong đó $\tau$ là ứng suất trượt, $\dot{\gamma}$ là tốc độ biến dạng và $\eta$ là độ nhớt động lực học. Với vật liệu phức tạp hơn, mối quan hệ này có thể phi tuyến và phụ thuộc nhiều yếu tố như thời gian, cấu trúc vật liệu hoặc nhiệt độ, dẫn đến các mô hình lưu biến đa dạng.

Nhiều mô hình được phát triển nhằm mô tả các hành vi dòng chảy khác nhau. Mô hình Newton mô tả chất lỏng có độ nhớt không đổi. Mô hình Bingham mô tả vật liệu có một ứng suất chảy, nghĩa là phải vượt qua một giá trị ứng suất nhất định mới bắt đầu biến dạng. Mô hình Herschel–Bulkley mô tả vật liệu kết hợp cả điểm chảy và quan hệ phi tuyến giữa ứng suất và tốc độ biến dạng. Các mô hình này được dùng rộng rãi trong mô phỏng công nghiệp và nghiên cứu vật liệu mềm.

Bảng mô tả các mô hình lưu biến kinh điển:

Mô hình	Phương trình	Đặc điểm
Newton	$\tau = \eta \dot{\gamma}$	Độ nhớt cố định
Bingham	$\tau = \tau_y + \eta_p \dot{\gamma}$	Có điểm chảy $\tau_y$
Herschel–Bulkley	$\tau = \tau_y + K \dot{\gamma}^n$	Phi tuyến, mô tả nhiều vật liệu thực tế

Độ nhớt và hành vi phi Newton

Độ nhớt là khả năng chống lại dòng chảy của vật liệu và là một thông số trung tâm trong lưu biến. Đối với chất lỏng Newton, độ nhớt hầu như không thay đổi khi tăng tốc độ biến dạng. Tuy nhiên, phần lớn vật liệu thực tế là phi Newton, chúng thể hiện nhiều hành vi phức tạp tùy thuộc tốc độ biến dạng, lịch sử biến dạng hoặc điều kiện môi trường. Các nghiên cứu tổng quan về độ nhớt phi Newton được trình bày trong nhiều tài liệu chuyên ngành như AZoM.

Hành vi shear thinning (giảm độ nhớt khi tăng tốc độ biến dạng) rất phổ biến trong polymer, sơn và thực phẩm. Điều này xảy ra khi cấu trúc vật liệu bị xếp lại theo hướng dòng chảy, làm giảm lực cản. Ngược lại, shear thickening (tăng độ nhớt khi tăng tốc độ biến dạng) xảy ra trong các huyền phù đặc, nơi các hạt va chạm mạnh khiến vật liệu trở nên cứng tạm thời. Ngoài ra, một số vật liệu có điểm chảy chỉ bắt đầu biến dạng khi ứng suất vượt qua một ngưỡng nhất định.

Danh sách hành vi phi Newton điển hình:

• Shear thinning: độ nhớt giảm theo tốc độ biến dạng
• Shear thickening: độ nhớt tăng theo tốc độ biến dạng
• Thixotropy: độ nhớt giảm theo thời gian chịu biến dạng
• Rheopecty: độ nhớt tăng theo thời gian chịu biến dạng

Ứng suất và tốc độ biến dạng

Ứng suất là lực tác dụng trên một đơn vị diện tích và được sử dụng để mô tả tác động của ngoại lực lên vật liệu. Trong lưu biến, ứng suất trượt là dạng ứng suất quan trọng nhất vì nó liên quan đến dòng chảy hoặc biến dạng dạng trượt. Tốc độ biến dạng mô tả mức độ vật liệu thay đổi hình dạng theo thời gian khi chịu ứng suất. Hai đại lượng này liên quan mật thiết và là cơ sở cho việc mô tả hành vi lưu biến.

Khi khảo sát vật liệu, mối quan hệ ứng suất theo tốc độ biến dạng cho phép phân loại vật liệu thuộc nhóm Newton, phi Newton hay viscoelastic. Với vật liệu viscoelastic, quan hệ này còn phụ thuộc thêm yếu tố thời gian, nghĩa là vật liệu nhớ lại lịch sử biến dạng trước đó. Các nghiên cứu thực nghiệm thường sử dụng rheometer để đo cả hai đại lượng này trong các chế độ thử khác nhau.

Bảng sau mô tả các loại ứng suất được xét trong lưu biến:

Loại ứng suất	Định nghĩa
Ứng suất nén	Lực ép theo phương thẳng đứng lên vật liệu
Ứng suất kéo	Lực kéo giãn vật liệu
Ứng suất trượt	Lực làm các lớp vật liệu trượt lên nhau

Vật liệu có tính lưu biến phức tạp

Nhiều vật liệu trong tự nhiên và công nghiệp không thể được mô tả bằng mô hình chất lỏng hoặc chất rắn thuần túy mà thể hiện đồng thời tính đàn hồi và nhớt. Những vật liệu này thuộc nhóm viscoelastic, nơi phản ứng biến dạng phụ thuộc thời gian và lịch sử tác động. Trong polymer, chuỗi phân tử dài liên kết bán linh hoạt tạo nên khả năng “ghi nhớ” biến dạng trước đó, dẫn đến hiện tượng trễ ứng suất hay phục hồi chậm sau khi bỏ tải. Đối với gel sinh học, mạng lưới polymer mềm kết hợp với nước tạo ra hành vi biến dạng phức tạp giữa hai trạng thái: biến dạng tức thì như chất lỏng và phục hồi như chất rắn.

Nhũ tương (emulsion) và huyền phù (suspension) cũng là nhóm vật liệu có tính lưu biến phức tạp. Trong các hệ này, tương tác giữa các hạt hoặc giọt lỏng, kích thước phân bố hạt và mật độ đóng gói quyết định tính chất lưu biến tổng thể. Khi lực tác động tăng, các hạt có thể va chạm, sắp xếp lại hoặc hình thành mạng lưới tạm thời, khiến độ nhớt biến đổi mạnh theo tốc độ biến dạng. Những hiệu ứng này ảnh hưởng trực tiếp đến các quy trình như trộn, bơm và phủ bề mặt.

Danh sách ví dụ về vật liệu lưu biến phức tạp:

• Polymer và nhựa nóng chảy
• Gel sinh học và mô mềm
• Thực phẩm dạng kem, sốt, sữa chua
• Sơn, mực in và vật liệu phủ

Các mô hình mô tả lưu biến

Để mô tả hành vi của vật liệu có tính lưu biến, nhiều mô hình đã được phát triển dựa trên tổ hợp của phần tử đàn hồi (lò xo) và phần tử nhớt (piston). Hai mô hình cơ bản là Maxwell và Kelvin–Voigt. Mô hình Maxwell kết hợp phần tử đàn hồi và nhớt nối tiếp, mô tả vật liệu có khả năng chảy từ từ theo thời gian nhưng vẫn có phản ứng đàn hồi ban đầu. Trong khi đó, mô hình Kelvin–Voigt kết hợp hai phần tử song song, giúp mô tả vật liệu có độ biến dạng hạn chế và khả năng phục hồi tốt hơn.

Mô hình Bingham và Herschel–Bulkley được dùng rộng rãi cho các vật liệu có điểm chảy, tức là vật liệu chỉ bắt đầu biến dạng khi ứng suất vượt qua một giá trị ngưỡng. Ngoài ra, mô hình Cross và Carreau mô tả đặc tính shear thinning của nhiều polymer và dung dịch phức tạp. Tùy theo vật liệu và điều kiện thử nghiệm, nhà nghiên cứu sẽ chọn mô hình phù hợp để mô tả hành vi biến dạng hoặc mô phỏng dòng chảy.

Bảng sau tóm tắt các mô hình lưu biến quan trọng:

Mô hình	Phần tử cấu thành	Phù hợp cho
Maxwell	Lò xo nối tiếp piston	Vật liệu nhớt đàn hồi và biến dạng chậm
Kelvin–Voigt	Lò xo song song piston	Vật liệu đàn hồi có giới hạn biến dạng
Bingham	Piston + điểm chảy	Bùn, sơn, kem đánh răng
Herschel–Bulkley	Piston + điểm chảy + phi tuyến	Hệ keo, polymer đặc

Phương pháp đo và thiết bị lưu biến

Rheometer là thiết bị quan trọng nhất để đo tính chất lưu biến, cho phép kiểm soát ứng suất hoặc tốc độ biến dạng và ghi nhận phản ứng của vật liệu. Thiết bị có thể vận hành ở chế độ dòng chảy (flow mode) để đo đường cong độ nhớt theo tốc độ biến dạng hoặc ở chế độ dao động (oscillatory mode) để xác định mô đun đàn hồi (G') và mô đun nhớt (G''). Các phép đo này giúp phân biệt vật liệu thiên về đàn hồi hay thiên về nhớt tùy theo tần số tác động.

Trong các ứng dụng công nghiệp, thiết bị lưu biến được thiết kế tối ưu cho điều kiện thực tế như nhiệt độ cao, dòng chảy nhanh hoặc vật liệu độ nhớt lớn. Các thông số như thời gian thư giãn, điểm chảy và tốc độ phục hồi được sử dụng để dự đoán khả năng xử lý và vận chuyển vật liệu. Đối với vật liệu sinh học, các thiết bị rheometer chuyên dụng cho phép mô phỏng môi trường cơ sinh học nhằm nghiên cứu cơ chế biến dạng của mô mềm hoặc chất sinh học.

Bảng mô tả các thông số chính đo bằng rheometer:

Thông số	Ý nghĩa
Độ nhớt	Đo khả năng chống chảy của vật liệu
Mô đun đàn hồi (G')	Khả năng tích trữ năng lượng biến dạng
Mô đun nhớt (G'')	Khả năng tiêu tán năng lượng
Điểm chảy	Ứng suất tối thiểu để vật liệu bắt đầu chảy

Ứng dụng của lưu biến học

Lưu biến học đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là trong quản lý và kiểm soát vật liệu có độ nhớt hoặc độ đàn hồi cao. Trong công nghiệp polymer, các đặc tính lưu biến giúp xác định khả năng gia công, đùn, ép phun hoặc kéo sợi của vật liệu. Độ nhớt và khả năng chảy quyết định tốc độ sản xuất và chất lượng sản phẩm cuối cùng.

Trong ngành thực phẩm, lưu biến học được sử dụng để đánh giá cấu trúc và cảm giác miệng của sản phẩm như kem, sữa chua hoặc nước sốt. Những đặc tính như shear thinning hoặc độ nhớt phụ thuộc thời gian ảnh hưởng trực tiếp đến độ mịn và độ ổn định của sản phẩm. Trong ngành mỹ phẩm, lưu biến học giúp tối ưu các sản phẩm dạng kem, gel hoặc nhũ tương để cải thiện khả năng bôi và độ ổn định.

Danh sách ứng dụng tiêu biểu:

• Polymer: đùn, ép phun, thổi màng
• Thực phẩm: tối ưu cấu trúc và kết cấu
• Mỹ phẩm: ổn định nhũ tương và gel
• Vật liệu xây dựng: kiểm soát tính chảy của bê tông

Tính lưu biến trong vật liệu sinh học

Trong sinh học, lưu biến được ứng dụng để nghiên cứu đặc tính cơ học của mô mềm, chất nền ngoại bào và tế bào. Mô mềm như da, cơ hoặc mô não có phản ứng biến dạng phụ thuộc thời gian và thường thể hiện hành vi nhớt đàn hồi phức tạp. Lưu biến học giúp giải thích các hiện tượng như biến dạng chậm, phục hồi không hoàn toàn hoặc sự phụ thuộc vào tần số tác động.

Máu là một ví dụ điển hình của chất lỏng phi Newton, có độ nhớt thay đổi theo tốc độ biến dạng. Khi chảy qua mạch máu, các tế bào hồng cầu sắp xếp lại, làm giảm độ nhớt ở tốc độ cao và tăng độ nhớt khi chảy chậm. Đặc tính này rất quan trọng trong mô phỏng tuần hoàn và thiết kế thiết bị y tế.

Danh sách vật liệu sinh học có tính lưu biến đáng chú ý:

• Mô mềm: não, cơ, mô mỡ
• Máu và dịch sinh học
• Chất nền ngoại bào (ECM)
• Gel mô phỏng mô sinh học

Tài liệu tham khảo

1. ScienceDirect. Rheology Overview. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/rheology
2. AZoM. Introduction to Rheology. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=19725
3. American Institute of Physics. Rheology Resources. https://publishing.aip.org