非ニュートン流体

非ニュートン流体とは

非ニュートン流体とは、流体の流れにおける剪断応力（接線応力）が、その速度勾配（ずり速度）に比例しない性質を持つ流体の総称です。これは、ニュートンの粘性法則に従わない流体であり、その流れは非ニュートン流動と呼ばれます。一方で、ニュートンの粘性法則に厳密に従う流体はニュートン流体と定義されます。

非ニュートン流体の構造

非ニュートン流体のミクロな構造は、その特性を理解する上で重要です。Merrillによって以下のように分類されています。これらの分類は、所属する物質の特性をほぼ包括的に表しているとされています。

巨大分子が液状として存在する

• - 不規則性螺旋非電解巨大分子の溶液: ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル、ポリイソブチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、酢酸セルロース、メチルセルロース、ゴム様高分子などの溶液。
• - 不規則性螺旋電解巨大分子の溶液: CMC、カーボポール、アルギン酸ナトリウム、アルギン酸アンモニウム、ポリメタアクリル酸のナトリウム塩などの溶液。
• - 不規則性螺旋巨大分子の塊: 溶融高分子。
• - 硬直巨大分子の溶液: アルブミン、グロブリンなどのタンパク質、DNAポリペプチドなどの溶液。
• - 巨大分子の集合体: 澱粉の分子成分、ポリ塩化ビニル溶液。

固体粒子が懸濁状で液体中に存在する

• - 低分子成分の液体中で、剪断応力が大きいために局所分子配列が乱れるもの。

非ニュートン流体のモデルと分類

非ニュートン流体の挙動を記述するモデル（構成式）として、以下の式が用いられます。

math
\tau_{xy} = \tau_\mathrm{o} + \eta \left( \frac{\partial u_x}{\partial y} \right)^n


ここで、

• - \(\tau_{xy}\) は剪断応力（接線応力）
• - \(\tau_\mathrm{o}\) は降伏強度
• - \(\eta\) は非ニュートン粘性
• - \(\frac{\partial u_x}{\partial y}\) は流れの速度勾配（ずり速度、剪断速度）
• - \(n\) は定数

この式における指数 \(n\) の値によって、非ニュートン流体は次の3種類に大別されます。

ダイラタント流体（Dilatant Fluid）

• - \(\tau_\mathrm{o} = 0\), \(n > 1\)

ダイラタント流体は、流れが強くなるほど流動しにくくなる流体です。つまり、速度勾配が大きくなるにつれて剪断応力が急激に増加します。

擬塑性流体（Pseudoplastic Fluid）

• - \(\tau_\mathrm{o} = 0\), \(n < 1\)

擬塑性流体は、流れが強くなるほど流動しやすくなる流体です。速度勾配が大きくなるにつれて、剪断応力の増加が緩やかになります。

ビンガム流体（Bingham Plastic）

• - \(\tau_\mathrm{o} > 0\), \(n = 1\)

ビンガム流体は、ある一定の剪断応力（降伏強度）に達するまでは流動を開始しないという特徴があります。降伏強度を超えると、通常の流体のように流動します。

これらの流体は、流れの弾性的な性質を示すことが特徴です。

その他の関連概念

非ニュートン流体の理解を深める上で、以下の概念も重要です。

• - チキソトロピー: 時間とともに粘度が変化する性質。
• - レオロジー: 物質の変形と流れを扱う学問。
• - HTHS粘度: 高温高剪断速度下での粘度。
• - ちょう度: グリースの硬さを示す指標。
• - とろみ: 食品などの粘性。
• - 動的弾性率: 材料の弾性的な性質を示す指標。

これらの概念を理解することで、非ニュートン流体の応用範囲や特性をより深く理解することができます。

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