A three-parameter model describing the experimental relation between shear stress and shear rate for laminar flow of aqueous polymer solutions

Summary A three-parameter model is introduced to describe the shear rate — shear stress relation for dilute aqueous solutions of polyacrylamide (Separan AP-30) or polyethylenoxide (Polyox WSR-301) in the concentration range 50 wppm – 10,000 wppm. Solutions of both polymers show for a similar rheological behaviour. This behaviour can be described by an equation having three parameters i.e. zero-shear viscosity ₀, infinite-shear viscosity , and yield stress ₀, each depending on the polymer concentration. A good agreement is found between the values calculated with this three-parameter model and the experimental results obtained with a cone-and-plate rheogoniometer and those determined with a capillary-tube rheometer.

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Zusammenfassung Der Zusammenhang zwischen Schubspannung und Schergeschwindigkeit von strukturviskosen Flüssigkeiten wird durch ein Modell mit drei Parametern beschrieben. Mit verdünnten wäßrigen Polyacrylamid-(Separan AP-30) sowie Polyäthylenoxidlösungen (Polyox WSR-301) wird das Modell experimentell geprüft. Beide Polymerlösungen zeigen im untersuchten Schergeschwindigkeitsbereich von ein ähnliches rheologisches Verhalten. Dieses Verhalten kann mit drei konzentrationsabhängigen Größen, nämlich einer Null-Viskosität ₀, einer Grenz-Viskosität und einer Fließgrenze ₀ beschrieben werden. Die Ergebnisse von Experimenten mit einem Kegel-Platte-Rheogoniometer sowie einem Kapillarviskosimeter sind in guter Übereinstimmung mit den Werten, die mit dem Drei-Parameter-Modell berechnet worden sind.

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a Pa^–1 physical quantity defined by:a = {1 – ( / ₀)}/ ₀ - c l concentration (wppm) - D m capillary diameter - L m length of capillary tube - P Pa pressure drop - R m radius of capillary tube - u m s^–1 average velocity - v _r m s^–1 local axial velocity at a distancer from the axis of the tube - shear rate (–dv _r /dr) - local shear rate in capillary flow - s^–1 wall shear rate in capillary flow - Pa s dynamic viscosity - _a Pa s apparent viscosity defined by eq. 2] - ( _a ) Pa s apparent viscosity in capillary tube at a distanceR from the axis - ₀ Pa s zero-shear viscosity defined by eq. 4] - Pa s infinite-shear viscosity defined by eq. 5] - l ratior/R - kg m^– density - Pa shear stress - ₀ Pa yield stress - _r Pa local shear stress in capillary flow - _R Pa wall shear stress in capillary flow _R = (PR/2L) - _v m³ s^–1 volume rate of flow With 8 figures and 1 table