Rheological properties of suspensions of spheres in non-Newtonian media

Summary The results of an experimental investigation of the rheologioal properties of dilute suspensions of rigid spheres 100m in diameter in non-Newtonian pseudoplastic liquids are reported. The shear flow properties of suspensions in a solution of polyisobutylene in tetralin, in aqueous solutions of polyacrylamide and sodium carboxymethylcellulose and in a Newtonian fluid have been investigated at solid concentrations up to 10% by volume. A concentric cylinder viscometer was used, results being corrected for end effects and variations in shear rate across the gap. Results for the Newtonian fluid were not inconsistent with published data. It was found that, within the range of variables investigated, for each of the non-Newtonian fluids the relative fluidity, comparing the suspension and the suspending fluid at the same shear stress, was a function of concentration only whereas the relative fluidity comparing the suspension and the fluid at the same shear rate depended on both concentration and shear rate. The fractional decrease in fluidity produced by a given concentration of spheres in polyisobutylene solution was about double that produced by the same concentration in any of the other fluids.In what are believed to be the first reported measurements of normal stress in suspensions, the first normal stress difference (p₁₁-p₂₂ for the fluids was derived from the normal force exerted on the cone of a Rheogoniometer during steady rotation. Over ranges of concentration and shear rate limited by experimental difficulties the ratio of shear rate to normal stress for the suspension divided by the corresponding quantity for the base solution appeared to be a function of concentration only when the liquids were compared at the same normal stress but not when compared at the same shear rate. However, this conclusion was less certain than the corresponding result for relative fluidity.

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Zusammenfassung Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchung der rheologischen Eigenschaften verdünnter Suspensionen von harten Kugeln mit einem Durchmesser von 100m in nicht-Newtonschen pseudoplastischen Flüssigkeiten werden mitgeteilt. Die Scherströmungseigenschaften der Suspensionen in einer Lösung von Polyisobutylen in Tetralin, in wäßrigen Lösungen von Polyacrylamid und Natriumcarboxymethylcellulose und in einer Newtonschen Flüssigkeit sind bei Festkörperkonzentrationen bis zu 10 Vol% untersucht worden. Es wurde ein konzentrisches Zylinderviskosimeter benutzt. Die Ergebnisse wurden in bezug auf Endeffekte und Schwankungen des Schergefälles über den Spalt korrigiert. Die Ergebnisse für die Newtonsche Flüssigkeit widersprechen veröffentlichten Daten nicht. Es ergab sich, daß innerhalb des Bereichs der untersuchten Variablen bei jeder der nicht-Newtonschen Flüssigkeiten die relative Viskosität bei einem Vergleich der Suspensionen mit der Grundflüssigkeit bei der gleichen Schubspannung nur konzentrationsabhängig war, während die relative Viskosität bei einem Vergleich der Suspension mit der Flüssigkeit bei dem gleichen Schergefälle sowohl von der Konzentration als auch vom Schergefälle abhing. Die teilweise Abnahme der Viskosität, die durch eine bestimmte Kugelkonzentration in einer Polyisobutylen-Lösung hervorgerufen wird, war ungefähr doppelt so hoch wie die, die sich bei gleicher Konzentration in allen anderen Flüssigkeiten einstellte. Bei den, wie wir glauben, erstmals veröffentlichten Messungen von Normalspannungen in Suspensionen, wurde die erste Normalspannungsdifferenz (P₁₁-P₁₂) für die Flüssigkeiten aus der Normalkraft abgeleitet, die auf dem Kegel eines Rheometers während einer konstanten Rotation ausgeübt wird. Über die durch experimentelle Schwierigkeiten begrenzten Bereiche von Konzentration und Schergefälle war das Verhältnis von Schergefälle zu Normalspannung der Suspension, geteilt durch die entsprechende Größe für die Grundlösung eine Funktion der Konzentration, nur wenn die Flüssigkeiten bei der gleichen Normalspannung verglichen wurden. Sie waren es nicht, wenn sie bei gleichem Schergefälle gegenübergestellt wurden. Diese Schlußfolgerung war weniger zuverlässig als das entsprechende Ergebnis für die relative Viskosität.

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Paper presented at the British Society of Rheology Conference on Advances in Rheology, Glasgow, September 16–18, 1969.