trix otro pia

8/12/2019 Trix Otro Pia

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E L S E V I E R J. Non-Newtonian Fluid Mech. , 70 (1997) 1-33

Jear~lofNea-l~.wtmi~l ~ i dMedmks

R e v i e wT h i x o t r o p y a r e v ie w

H o w a r d A . B a r n e sUnilever Research Laboratory Bebington Merseyside L6 3 3JW UK

Received 16 Novem ber 1996; received n revised fo rm 16 Decem ber 1996; accepted 6 January 1997

AbstractThe ensuing mechanical response to stressing or straining a structured liquid results in various viscoelasticphen om ena, ei ther in the l inear region where the m icrostructure responds l inearly with respect to the s t ress and s t rainbut do es not i t sel f change, or in the non l inear region where the microstructure does change in response to the im posedstresses and strains, but does so reversibly, The complication of thixotropy arises because this reversible, microstruc-tural chang e i tsel f takes t ime to com e abou t due to local spat ial rearrang em ent of the compo nents . This frequent lyfoun d t ime-respon se of a micros tructure that is i t sel f changing with t ime m akes thixo tropic, viscoelastic b ehav iour oneof the greatest chal lenges facing rheologis ts today, in terms of i ts accurate experimental characterisat ion and i tsadequate theoret ical descript ion. Here a his tory of thixotropy is given, together with a descript ion of how i t i sunderstood today in various parts of the scient i f ic community. Then a mechanis t ic descript ion of thixotropy ispresented, togeth er with a series of appl icat ions where thixotro py is impo rtant . A l is t of di fferent examples ofthixotropic systems is then given. Final ly the various kinds of theories that have been put forward to describe thephe nom eno n m athem atical ly are l isted. 1997 Elsevier Science B.V.

Keywords: Microstructure; Stress; Strain; Viscoelastic

1 . In t ro duc t io nT h e g r o w i n g u s e o f c l a y - b a s e d s t r u c t u r a n t s t o g e t h e r w i t h t h e in c r e a s i n g p r e s e n c e o f fl o c c u -

l a t e d s t r u c t u r e s i n h o m e , p e r s o n a l a n d c h e m i c a l p r o d u c t s a n d p r e c u r s o r s h a s le d t o t h ea p p e a r a n c e o f t h i x o t r o p y i n a w i d e n i n g r a n g e o f s i t u a ti o n s , q u i t e a p a r t f r o m i t s p r e s e n c e i ns y s t e m s lo n g k n o w n t o d i s p l a y th e p h e n o m e n o n . D i f f ic u l ti e s t h e n a r i se in m i x i n g a n d h a n d l i n gt h e s e m a t e r i a l s b e c a u s e t h i x o t r o p i c s t r u c t u r e s p r o g r e s s iv e l y b r e a k d o w n o n s h e a r i n g a n d s l o w lyr e b u i l d a t r e st . T h e t im e - s c a l e s i n v o l v e d c a n r a n g e f r o m m a n y m i n u t e s i n t h e ca s e o f b r e a k d o w nt o m a n y h o u r s i n r e b u i l d i n g .0377-0257/97/$17.00 1997 Elsevier Science B.V . All rights reserved.P I I S 0 3 7 7 - 0 2 5 7 ( 9 7 ) 0 0 0 0 4 - 9


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2 H.A. Bar nes /J . Non-Newtonian Fluid Mech. 70 1997) 1-33T h i x o t r o p y h a s b e e n d e l ib e r a t el y b u i lt i n t o p r o d u c t s t o m a k e t h e m u s a b l e b y n o n - e x p e r t s - -w i t h t h e b e s t - k n o w n e x a m p l e b e i n g th i x o t r o p i c p a i n t s - - h o w e v e r , a s w i l l b e s h o w n h e r e, w h a t isu su a l ly w an ted in th ese cases i s ex t r em e sh ea r - th in n in g . H o w ev er th e w ay in w h ich th i s i sb r o u g h t a b o u t u s u a l l y i n tr o d u c e s t h i x o t r o p y a s w e l l, w h i c h is t h e n a l m o s t a l w a y s a n u n w a n t e d

n u i sa n c e . H o w e v e r t h e p h e n o m e n a s t il l h a s t o b e u n d e r s t o o d , a n d h e n c e t h e n e e d f o r a nu p - to -d a te r ev iew .Majo r p o s t -w ar r ev iew s o f t h ix o t ro p y h av e b een p ro d u ced b y B au er an d C o l l in s , 1 9 6 7 [1 ] ,Mew is , 1 9 7 9 [2 ], C h en g , 1 98 2 [3] , an d G o d f rey , 1 9 8 3 [4 ]. W h i l e th e g en era l a reas th ey co v er a rea l so d ea l t w i th h e re , t h ey a re w e l l w o r th co n su l t in g fo r i n t e res t in g ex am p les o f t h ix o t ro p icsy s t em s n o t c i t ed h e re .

2. A history of thixotropy

2 1 OriginsI n 1 9 2 3 , S c h a l e k a n d S z e g v a r i f o u n d t h a t a q u e o u s i r o n o x i d e " g e l s h a v e t h e r e m a r k a b l ep r o p e r t y o f b e c o m i n g c o m p l e t e l y l i q u i d t h r o u g h g e n t l e s h a k i n g a l o n e , t o s u c h a n e x t e n t t h a t t h el iq u if i ed g e l is h a rd ly d i s t in g u i sh ab le f ro m th e o r ig in a l so l. T h e se so l s w ere l i q u i f i ed b y sh ak in g ,so l id i f ied ag a in a f t e r a p e r io d o f t im e . .. t h e ch an g e o f s ta t e p ro cess co u ld b e r ep ea ted a n u m b e ro f t im e s w i t h o u t a n y v i si b le c h a n g e i n t h e s y s t e m " [ 5 ] . T h e t e r m t h i x o t r o p y w a s t h e n c o i n e d b yP e te r fi i n 1 92 7 [6 ] , i n t h e f i rs t p a p e r t h a t p r o p e r l y d e s c r i b e d t h e p h e n o m e n o n . T h e w o r kc o m b i n e s t h e G r e e k w o r d s t h i x i s ( s t i r r i n g o r s h a k i n g ) a n d t r e p o ( t u r n i n g o r c h a n g i n g ) .A l t h o u g h n o m e n t i o n o f t h e p h e n o m e n o n a p p e a r e d i n t h e s e m i n a l r h e o l o g y t e xt o f t h e d a y'T h e V isco s i ty o f L iq u id s ' , b y E m i l H a t sc h ek [7 ], ( e sp ec ia l ly th e ch ap te r o n c o l lo id a l so lu tio n s ) ,b y 1 9 3 5 F reu n d l i ch h a d p u b l i sh ed a b o o k ca l l ed 'T h ix o t ro p ie ' [8 ] d ev o ted to th e su b jec t, h av in gb een th e f i r s t t o in t ro d u ce i t i n to th e t i t l e o f a p ap er w h en h e d esc r ib ed th e f lo w p ro p er t i e s o fa l u m i n i u m h y d r o x i d e ge ls . F r e u n d l i c h a n d c o - w o r k e r s s o o n f o u n d t h i x o t r o p i c e f f ec t s m a n i f e s t e db y a w h o le v a r i e ty o f sy s t em s in c lu d in g v an ad i u m p en to x id e so l s, s t a rch p as t es , g e l a t in ge l s,

p e c t i n g e l s a n d m a n y m o r e .T h ix o t ro p y o r ig in a l ly th e re fo re r e fe r red to th e r ev e r s ib l e ch an g es f ro m a f lo w ab le f lu id to aso l id - lik e e l a s ti c ge l. P rev io u s ly th ese k in d s o f p h y s ica l ch an g e s h ad o n ly b een k n o w n to o ccu rb y c h a n g i n g t h e t e m p e r a t u r e , w h e n s u c h g e l s w o u l d m e l t o n h e a t i n g a n d t h e n r e - s o l i d i f y o nc o o l in g . I t w a s b e l ie v e d t h a t a n e w k i n d o f p h a s e c h a n g e h a d b e e n f o u n d .2 2 Progress

E ar ly w o rk in th i s a rea in th e U S A i s ex em p l i f i ed b y a se r i e s o f t h ree p ap er s b y M cM i l l en in1 93 2 [9 ], r ep o r t in g th e r e su l t s o f h i s d o c to ra l i n v e s t ig a t io n s in to th e th ix o t ro p y o f a l a rg e n u m b e ro f f lo ccu la t ed p a in t s . H e sh o w ed th a t t h e f lu id i ty ( th e in v e r se o f v i sco s ity ) as a fu n c t io n o f r e s tt i m e d e c r e a s e d i n s o m e c a se s b y f o u r o r d e r s o f m a g n i t u d e , s h o w i n g a l m o s t a q u a d r a t i cd e p e n d e n c e o n r e s t t i m e .W r i t in g in th e U K in 1 94 2, S co t t -B la ir [1 0 ] s t a t ed th a t ' t h e w h o le su b jec t [o f t h ix o t ro p y ] i s sov ery n ew ' . B u t t h e n w en t o n to l is t o v e r 8 0 p ap er s o n th e su b jec t (see p p . 6 1 -6 4 ) . ( In th e seco n d


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H.A. Barnes /J. Non-Newtonian Fluid Mech. 70 1997) 1-33 3e d i t io n o f th i s b o o k p u b l i s h e d i n 1 94 9, n e a r l y 1 20 p a p e r s o n t h i x o t r o p y a r e c it e d .) A m o n g t h ee x a mp l e s o f t h i x o t r o p i c ma t e r i a l s h e g i v e s a r e c l a y s a n d s o i l s u s p e n s i o n s , c r e a ms , d r i l l i n g mu d s ,f l o u r d o u g h s , f l o u r s u s p e n s i o n s , f ib r e g re a s e s , j e ll ie s , p a i n t s , c a r b o n b l a c k s u s p e n s i o n s a n d s t a r c hp a s t e s. H e a l s o li st s a n u m b e r o f p a p e r s o n s o - c a l l e d t h i x o t r o m e t e r s , i n s t r u m e n t s s p e c i al l yd e v i s ed t o c h a r a c t e r is e t h e p h e n o m e n o n . I n t h is r e s p e c t h e r a i s ed s o m e i n t e re s t in g p o i n t s, a m o n gt h e m w h e t h e r t h i x o t r o p y o u g h t t o b e s t u d i ed a t c o n s t a n t r a t e o f s h e a r o r a t c o n s t a n t s tr es s? T h i si s s t i l l a mos t con t rovers ia l ques t ion .

S c o t t- B l a ir q u o t e s H a m a k e r ' s e x p l a n a t i o n o f t h i x o t r o p y a s b e i n g d u e t o t h e s e c o n d a r ym i n i m u m s o t h a t ' p a rt ic l e s c a n f o r m a l o o s e a s so c i a ti o n w h i c h is e a si ly d e s t r o y e d b y s h a k i n g b u tr e - e s ta b l i sh e s i t se l f o n s t a n d i n g ' . T h i s e x p l a n a t i o n s t il l s t a n d s . W i t h o u r p r e s e n t k n o w l e d g e o fmi c r o s t r u c t u r a l c h a n g e s , i t i s p r o b a b l y s a f e t o s a y t h a t a l l ma t e r i a l s t h a t a r e s h e a r t h i n n i n g a r et h i x o t r o p i c , i n t h a t t h e y w i l l a l w a y s t a k e a f i n i t e t i me t o b r i n g a b o u t t h e r e a r r a n g e me n t s n e e d e di n t h e mi c r o s t r u c t u r a l e l e me n t s t h a t r e s u l t i n s h e a r t h i n n i n g . A s S c o t t - B l a i r c o n c l u d e d a l l t h o s ey e a r s a g o " I f t h i s r e c o v e r y i s v e r y r a p i d , t h e p h e n o me n o n i s o b s e r v e d a s s t r u c t u r a l v i s c o s i t y[ s h e a r t h i n n i n g ] ; i f s l o w , i t i s o b s e r v e d a s t h i x o t r o p y " . H o w e v e r e v e n S c o t t - B l a i r s o me t i me sc o n f u s e d t h i x o t r o p y w i t h s h e a r t h i n n i n g , a s i n h i s e x a m p l e o f t h e i m p o r t a n c e o f t h i x o t r o p y f o rd r i ll i n g m u d s t h a t m u s t b e r u n n y [ s ic ] w h e n l u b r i c a ti n g t h e d r il l, b u t " o f a h i g h e n o u g hc o n s i s t e n c y a t r e s t t o a v o i d s e t t l i n g o f s u s p e n d e d ma t t e r " .

A n i m p o r t a n t p o i n t h e m a d e c o n c e r n e d a s u g g e s t i o n t h a t c e r t a i n r e s u l t s o f f l o w i n c a p i l l a r yt u b e s o f s u s p e n s i o n s - - t h a t w e n o w b e li ev e s h o w e d m i g r a t i o n o f p a r ti c le s a w a y f r o m t h e w a lla n d t h u s , h a v e a n e a s i e r f l o w i n s m a l l r a t h e r t h a n l a r g e t u b e s - - w a s d u e t o t h i x o t r o p y . H er e f u t e d t h i s b y s h o w i n g t h a t d o u b l i n g t h e t u b e l e n g t h h a l v e d t h e f l o w r a t e f o r a g i v e n d r i v i n gpressure .

P r y c e - J o n e s [ 1 1 ] ( t h e f ir st w e l l - k n o w n We l s h r h e o l o g i s t ) s t u d i e d a b o u t 2 5 0 p a i n t s a l l i n a s t a t eo f l ig h t f lo c c u l a t i o n , u s i n g h is o w n t h i x o t r o m e t e r [ 1 2 ]. H e n o t e d t h a t " I t i s a w e l l - e s t a b l is h e d f a c tt h a t t h i x o t r o p y i s m o r e p r o n o u n c e d i n s y s t e m s c o n t a i n i n g n o n - s p h e r i c a l p a r t i c l e s " , t h i s i so b v i o u s l y s o b e c a u s e t h e y h a v e t o f i n d t h e ms e l v e s i n t h e b e s t 3 D s t r u c t u r e b y r o t a t i o n a s w e l la s m o v e m e n t , a n d p r o g r e s s f r o m a s o l id g el t o a f r e el y f l o w i n g l i q u i d d u e t o c o m p l e t emi c r o s t r u c t u r a l b r e a k d o w n , s e e F i g . 1 .

T h i x o t r o p y i s o n e o f t h e f e w o r i g i n a l t e c h n i c a l t e r m s u s e d i n p r e - w a r , E u r o p e a n r h e o l o g yc i r c l e s t h a t h a s s u r v i v e d , u n l i k e ' s t r u c t u r a l v i s c o s i t y ' ( S t r u k t u r v i s k o s i t a e t , w h i c h w e n o wu n d e r s t a n d a s s h e a r t h i n n i n g ) a n d ' f a l s e b o d y ' ( n o w u n d e r s t o o d a s e x t r e m e s h e a r t h i n n i n g w i t ht h i x o t r o p y ) w h i c h h a v e f a l le n b y t h e w a y s i d e ~.

H o w e v e r , a s l a t e a s 1 95 3, R o s c o e [ 1 3] s ti ll r e f e r r e d t o ' f a ls e b o d y ' a s d i f f e r e n t f r o m t h i x o t r o p y .T h e ' f a l se b o d y ' h a d a n a p p a r e n t y i e l d s t re s s [s tr es s a t l o w s h e a r r a t e f o l l o w i n g s h e a r i n g a t ah i g h s h e a r r a t e ] t h a t r e c o v e r e d q u i c k l y , w h i l e t h e t h i x o t r o p i c ma t e r i a l t a k e s s o me t i me s b e f o r er e la t iv e l y f a st r e c o v e r y t ak e s p l a c e . T o d a y w e u n d e r s t a n d t h a t t h e y a r e b o t h m a n i f e s t a ti o n s o ft h i x o t r o p y . F a l s e b o d i e s w e r e t a k i n g a l o n g t i me t o d i e .

J o b l i n g a n d R o b e r t s i n 1 95 7 [1 4 ] c o m m e n t e d t h a t " t h i x o t r o p y n o w h a s a n e v e n l es s d i s ti n c tc o n n o t a t i o n . E l e c t r o n ic m e t h o d s o f m e a s u r e m e n t h a v e s h o w n t h a t t h e t im e - l a g r e q u i re d b e f o r eR e a d e r s w i t h a n i n t e r e s t i n t h e h i s t o r i c a l d e r i v a t i o n o f s c i en t if i c e x p r e s s i o n s a r e d i r e c t e d t o S c o t t - B l a i r [ 1 0] , p . 5 2 .

A l l S c o t t- B l a i r' s b o o k s w e r e w r i t te n a s p e r s o n a l m e m o i r s a n d a r e v e ry e v o c a t iv e o f t h e m a n h i m s e l f f o r t h o s e w h ok n e w h i m .


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4 H . A . B a r n e s / J . N o n - N e w t o n i a n F l u id M e c h . 7 0 1 9 9 7) 1 - 3 3

t h e o r i g i n a l s t r u c t u r e i s r e g a i n e d ma y b e v e r y s h o r t i n d e e d a n d i t t h e n b e c o me s d i f f i c u l t t od i s ti n g u is h b e t w e e n a t h i x o t r o p i c m a t e r i a l w i t h a v e r y s h o r t r e c o v e r y ti m e a n d a m a t e r i a l w h o s ev i s c o s i t y f a l l s w i t h i n c r e a s i n g r a t e o f s h e a r a n d d e p e n d s f o r a l l p r a c t i c a l p u r p o s e s o n l y o n t h ei n s t a n t a n e o u s r a t e o f s h e a r . T h e l a t t e r e f f e c t i s f r e q u e n t l y c a l l e d ' s t r u c t u r a l v i s c o s i t y ' " . T h e yw e n t o n t o s a y " W e e n d o r s e P r y c e - J o n e s ' s p le a t h a t i n t h e a b s e n c e o f a u t h o r i t a t i v e d e f in i ti o n s ,t e r m s s u c h a s . . . t h i x o t r o p y s h o u l d n o t b e u s e d u n l es s t h e i n t e n d e d m e a n i n g i s m a d e c l e a r " . I nt h e D i s c u s s i o n s e c t i o n o f t h i s p a p e r , M a r c u s R e i n e r n o t e s t h a t ' s t r u c t u r a l v i s c o s i ty ' a n d' t h i x o t r o p y ' a r e s e e n a s t h e s a me t h i n g b y s o me , w i t h s t r u c t u r a l v i s c o s i t y s e e n a s a ma t e r i a l w i t h" n e a r l y z e r o t i m e o f r e c o v e r y " .

T h e f u l l e x t e n t o f t h i x o t r o p y w a s m a i n t a i n e d b y B a u e r a n d C o l l i n s i n t h e i r 1 9 67 r e v i e w [ 1] :" W h e n a r e d u c t i o n i n m a g n i t u d e o f r h e o l o g i c a l p r o p e r t ie s o f a s y s te m , s u c h a s e l as ti c m o d u l u s ,y i e l d s t r e s s , a n d v i s c o s i t y , f o r e x a mp l e , o c c u r s r e v e r s i b l y a n d i s o t h e r ma l l y w i t h a d i s t i n c t t i med e p e n d e n c e o n a p p l i c a ti o n o f s h e a r s t ra i n , t h e s y s t e m is d e s c r ib e d a s t h i x o t r o p i c " . T h e y w e n t o nt o s a y t h a t t h i x o t r o p y w a s " u s u a l l y c o n c e i v e d as a n u n u s u a l p r o p e r t y o f v e ry s p e ci al m a t e r ia l s ,s o l - g e l s y s t e ms s u c h a s a q u e o u s i r o n o x i d e d i s p e r s i o n s , t h i x o t r o p y i n t h e s e n s e d e s c r i b e d a b o v eh a s b e e n f o u n d t o b e e x h i b i t e d b y a g r e a t m a n y a n d a l a r g e v a r i e t y o f s y s t e m s . A l o n g w i t h t h eb r e a k d o w n i n s t r u c t u r e , o t h e r n o n - r h e o l o g i c a l f e a t u r e s c h a n g e , s u c h a s c o n d u c t i v i t y a n dd i e le c t ri c c o n s t a n t " . L a s t ly t h e y n o t e d t h a t " T h e t e r m s u s e d b y F r e u n d l i c h a r e n o w s e en t o b ea r c h a i c , v i z l i q u e f a c t i o n , r e - s o l i d i f i c a t i o n , s o l . T h e s e h a d s o me o b v i o u s me a n i n g f o r t h eq u a l i ta t i v e c h a n g e s b r o u g h t a b o u t i n lo w c o n c e n t r a t i o n d i s p e rs i o n s o f h i g h ly i n s o lu b l e o x id e s o fn e e d le - li k e c r y s ta l s s u c h a s i r o n o x i d e a n d v a n a d i u m p e n t o x i d e i n l o w - v i sc o s it y a q u e o u s m e d i a " .

N o w a d a y s t h i x o t r o p y i s s o m e t i m e s u s e d t o i n c l u d e a l l t i m e e f f e c t s i n a m o v e m e n t t on o n - l i n e a r b e h a v i o u r , s e e f o r i n s t a n c e C h e n g [ 1 5 ], b u t e s p e c i a ll y L a p a s i n a n d P r i c l [ 1 6 ], w h oi ll u s tr a te t h i x o t r o p i c b e h a v i o u r b y t h e t r a n s i e n t r e s p o n s e o f v i sc o s it y a n d n o r m a l f o r c e o f

S~KIN S k i , , ./

C o m p l e te l y s t r u c tu r e d - g i v in g ~ ) ~ 4 ? > ' f t ' ~ , / ~ - - T : ~ - - ~ . ~ _ 2 L I ~ ~ - ~ A ~ ~ / / ~ \ ~ , ~ , , V ~ f 'e l a s ti c , s o , d - , k e r e s p o n s e . I I . / . Pa r t ly s tructu red - g iv ing '-....._~ -~ '~- t ~ f ~ / t / ~ - ; I- k v is c o e la s ti c r e s p o n s e i / , ~ ' ~ / - ~ / ' , . - , ~ - . , ~ # ~ , ~ ~i

Com p le te l y uns t ruc tu red~ ' ~ / 4 ~ ~ - g iv in g v i s c o u s s h e a r- th i nn ing r e s p o n s e

F i g . 1 . B r e a k d o w n o f a 3 D t h i x o t r o p i c s t r u c t u r e .


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H.A. Barnes / J. NonNewtonian Fluid Mech. 70 1997) 1-33 5p o l y m e r s o l u t i o n s . T h e y t h e n n o t e d t h a t t h e s t r e s s o v e r s h o o t o n s t a r t - u p i n c r e a s e s w i t hi n c r e a s i n g r e s t t i m e . T h i s i s a n i n t e r e s t i n g p o i n t - - b u i l d u p i n p o l y m e r s o l u t i o n s i s u s u a l l yc o n s i d e r e d t o b e r a p i d , a n d r e s t t i me s a r e r a r e l y c o n s i d e r e d n e c e s s a r y . We a k l y c r o s s - l i n k e d g e l sw o u l d g i v e t h e s a me t h i x o t r o p i c e f f e c t a s a f l o c c u l a t e d s y s t e m.2 . 3 . H o w i s t h i x o t r o p y g e n e r a l l y u n d e r s to o d to d a y 7

O n e o f t h e f ir st d e f in i ti o n s o f t h i x o t r o p y w a s g i v e n b y F r e u n d l i c h a n d R a w i t z e r [ 1 7 ] w h os t a te d t h a t " B y t h i x o t r o p y is m e a n t t h e p h e n o m e n a o f c o n c e n t r a t e d g e ls . . . w h i c h s o l id i fy to g el sw h i c h ma y a g a i n b e l i q u i f i e d t o s o l s . T h e r e s o l i d i f i c a t i o n o c c u r s r e p e a t e d l y , a t c o n s t a n tt e m p e r a t u r e w i t h a c o n s t a n t s p e e d " . ( T h is w o u l d b e v e r y fa r f r o m t h e k i n d o f d e fi n i ti o n o ff e r e dt o d a y . ) H o w e v e r , P r y c e - J o n e s [1 1 ] s o o n a f t e rw a r d s s t a te d t h a t t h e t r u e m e a n i n g o f t h ix o t r o p yw a s " a n i n c r e a s e o f v i s c o s it y i n a s t a te o f re s t a n d a d e c r e a s e o f v is c o s i ty w h e n s u b m i t t e d t o ac o n s t a n t s h e a r i n g s t r e s s " .I t i s c l e a r t h a t p e o p l e u s i n g t h e w o r d t h i x o t r o p y t o d a y f a l l i n t o t w o c a mp s : f i r s t t h o s e w h ou n d e r s t a n d i t in t h e l a t t e r ( P r y ce - J o n e s ) se n se a s t h e t i m e r e s p o n s e o f t h e m i c r o s t r u c t u r e b r o u g h ta b o u t b y s h e a r i n g o r r e s t i n g , r e s p e c t i v e l y , a n d t h e r h e o l o g i c a l e f f e c t s a r i s i n g t h e r e f r o m. I n t h e s ec i r c l e s i t i s o f t e n u s e d i n a v e r y n a r r o w s e n s e o f v i s c o s i t y c h a n g e s o n l y , w i t h n o r e f e r e n c e t o t h er e v e r s i b l e t r a n s i t i o n f r o m g e l - l i k e t o f l u i d - l i k e b e h a v i o u r .S e c o n d l y t h e r e ar e t h o s e - - o f t e n i n in d u s t r ia l c i r c l e s - - w h o u n d e r s t a n d t h i x o t r o p y i n it so r i g i n a l F r e u n d l i c h a n d R a w i t z e r s e n se , a s s t a t e d a b o v e , o f c o n f e r r i n g g e l- l ik e p r o p e r t i e s t o al i q u i d w h i c h d i s a p p e a r o n s h a k i n g b u t r e a p p e a r o n s t a n d i n g . T h i s p a r t i c u l a r p r o p e r t y a d d sc o n s i d e r a b l e a d v a n t a g e t o t h e p r a c t i c a l u s e o f ma t e r i a l s s u c h a s p a i n t s , a d h e s i v e s a n d c o a t i n g s .U n l e s s t h i s d i f f e r e n t u s e i s b o r n e i n mi n d , s e v e r e mi s u n d e r s t a n d w i l l a r i s e o n r e a d i n g t h e g e n e r a ll i t e r a t u r e . T h e f o r m e r g r o u p w o u l d u n d e r s t a n d t h e u s e o f t h i x o t r o p y b y t h e l a t t e r g r o u p a sc o n f e r r i n g e x t r e me s h e a r t h i n n i n g t o a l i q u i d b y , f o r i n s t a n c e , t h e a d d i t i o n o f s o - c a l l e dt h i x o p r o p e s o r b y i n d u c i n g f l o c c u l a t i o n . O n t h e o t h e r h a n d t h e l a t t e r g r o u p o n l y s e e t h et e m p o r a l p r o p e r t i e s o f t h i x o t r o p y a s a n i r r i t a t io n , b e c a u s e t h e d e s i r e d re v e r s i b le g e ll e d s t a te t h e yw a n t t a k e s s o m e t i m e t o d i s a p p e a r o n s h e a r i n g o r r e a p p e a r o n s t a n d i n g . I t i s n o t s u r p r i s i n gt h e r e f o r e t h a t t h i x o t r o p y h a s , o n o c c a s i o n s , b e e n c o n f u s e d w i t h s h e a r t h i n n i n g .

T h e r e a r e v a r i o u s d e f i n i t i o n s o f t h i x o t r o p y o f f e r e d i n t h e c u r r e n t g e n e r a l s c i e n t i f i c l i t e r a t u r e ,e . g . , s c i e n t i f i c d i c t i o n a r i e s a n d e n c y c l o p e d i a s , t h a t r e f l e c t t h e s e t w o p o i n t s o f v i e w . S o me a r emi s l e a d i n g , w i t h e v e n t h e b e s t b e i n g i n c o mp l e t e . T h e f o l l o w i n g a r e a s e l e c t i o n t h a t i l l u s t r a t e t h es i tua t ion :O x f o r d E n c y c l o p e d i c D i c t i o n a r y o f P h ys ic s , [ 1 8 ] - - " T h i x o t r o p y : C e r t a i n m a t e r i a ls b e h a v e a ss o l i d s u n d e r v e r y s ma l l a p p l i e d s t r e s s e s b u t u n d e r g r e a t e r s t r e s s e s b e c o me l i q u i d s . Wh e n t h es t r e s s e s a r e r e mo v e d t h e ma t e r i a l s e t t l e s b a c k i n t o i t s o r i g i n a l c o n s i s t e n c y . T h i s p r o p e r t y i sp a r t i c u l a r l y a s s o c i a t e d w i t h c e r t a i n c o l l o i d s w h i c h f o r m g e l s w h e n l e f t t o s t a n d b u t w h i c hb e c o m e s o ls w h e n s t ir r e d o r s h a k e n , d u e t o a r e d i s t r ib u t i o n o f th e s o l id p h a s e . "C h a m b e r s D i c t i o n a r y o f S c ie n ce a n d T e c h n o l o g y [ 1 9 ] - - " R h e o l o g i c a l p r o p e r t y o f f l ui ds a n dp l a s t ic s o l i d s c h a r a c t e r i s e d b y a h i g h v i s c o s i ty a t l o w s t r es s , b u t a d e c r e a s e d v i s c o s it y w h e n a ni n c r e a s e d s t r es s is a p p l ie d . A u s e f u l p r o p e r t y o f p a i n t s , b e c a u s e i t ma k e s f o r a t h i c k f il m w h i c hi s n e v e r t h e l e s s e a s i l y w o r k e d . "


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6 H.A. Barnes/J . Non-Newtonian Fluid Mech. 70 1997) 1-33M c G r a w - H i l l D i c t i o n a r y o f S c ie n ti fi c a n d T e c h n i c a l T e r m s [ 2 0 ] - - " P r o p e r t y o f c e rt a i n g el sw h ich l iq u i fy w h en su b jec t ed to v ib ra to ry fo rces , su ch as u l t r a so n ic w av es o r ev en sh ak in g ,an d th en so l id i fy ag a in w h en l e f t s t an d in g . T h ix o t ro p ic c l ay : a c l ay w h ich w eak en s w h end i s t u r b e d a n d i n c r e a s e s i n s t r e n g t h u p o n s t a n d i n g . "V an N o s t ran d ' s S c ien t i f i c E n cy c lo p ed ia [2 1 ] - - " A th ix o t ro p ic f lu id i s a f lu id w h o se v i sco s i tyi s a fu n c t io n n o t o n ly o f t h e sh ea r in g st re s s , b u t a l so o f t h e p rev io u s h i s to ry o f m o t io n w i th inth e f lu id . T h e v i sco s i ty u su a l ly d ec reases w i th th e l en g th o f t im e th e f lu id h as b een in m o t io n .S u c h s y s te m s c o m m o n l y a r e c o n c e n t r a t e d s o l u t i o n s o f s u b s ta n c e s o f h i g h m o l e c u l a r w e i g h t, o rco l lo id a l su sp en s io n s . "O x f o r d C o n c i s e S c i e n c e D i c t i o n a r y [ 2 2 ] - - " M o r e c o m m o n , h o w e v e r , i s t h e o p p o s i t e e f f e c t i nw h ich th e v i sco s i ty d ep en d s n o t o n ly o n th e v i sco s i ty g rad ien t b u t a l so o n th e t im e fo r w h ichi t h as b een ap p l i ed . T h ese l i q u id s a re sa id to ex h ib i t t h ix o t ro p y . T h e f as t e r a t h ix o t ro p ic l i q u idm o v es th e l e s s v i sco u s i t b eco m es . T h i s p ro p er ty i s u sed in n o n d r ip p a in t s (w h ich a re m o rev i s c o u s o n t h e b r u s h t h a n o n t h e w a l l ) a n d l u b r i c a t i n g o i l s ( w h i c h b e c o m e t h i n n e r w h e n t h ep ar t s t h ey a re lu b r i ca t in g s t a r t t o m o v e) . "C h a m b e r s 2 0 t h C e n t u r y D i c t i o n a r y [ 2 3 ] - - " T h i x o t r o p y : t h e p r o p e r t y o f g e ls o f s h o w i n g at e m p o r a r y r e d u c t i o n i n v i s c o s i t y w h e n s h a k e n o r s t i r r e d . "D ef in i t i o n s g iv en in m o re sp ec ia l i sed d i c t io n a r i e s em p h as i se th e t im e asp ec t o f t h ix o t ro p y :P o l y m e r T e c h n o l o gy D i c t io n a r y [ 2 4 ] - - " T h i x o t r o p y . A t e r m u s e d i n r h e o l o g y w h i c h m e a n sth a t t h e v i sco s i ty o f a m a te r i a l d ec reases s ig n i f ican t ly w i th th e t im e o f sh ea r in g an d th en ,in c reases s ig n i f i can t ly w h en th e fo rce in d u c in g th e f lo w i s r em o v ed . "P o l y m e r S ci e nc e D i c t i o n a r y [ 2 5 ] - - " T i m e - d e p e n d e n t f l ui d b e h a v i o u r i n w h i c h t h e a p p a r e n tv i sco s i ty d ec reases w i th th e t im e o f sh ea r in g an d in w h ich th e v i sco s i ty r eco v er s to , o r c lo seto , i t s o r ig in a l v a lu e w h en sh ea r in g ceases . T h e r eco v ery m ay t ak e p l ace o v er a co n s id e rab let i m e . T h i s m a y s o m e t i m e s o c c u r w i t h p o l y m e r s y s t e m s , w h e n m o l e c u l a r d i s e n t a n g l e m e n tin c reases w i th t im e o f sh ea r in g . "T h e d e f in i t i o n o f t h ix o t ro p y in th e rh eo lo g ica l l i t e r a tu re h as ch an g ed o v e r th e y ea rs . T h e( A m e r i c a n ) S o c ie t y o f R h e o l o g y w a s q u o t e d b y R e i n e r a n d S c o t t- B l a ir i n 1 94 9 [ 26 ] a s h a v i n g

d e f i n e d t h i x o t r o p y a s " t h a t p r o p e r t y o f a b o d y b y v i r t u e o f w h i c h t h e r a t io o f s h e a r s tr e ss t o r a t eo f d e fo rm at io n [v i sco s i ty ] i s t em p o ra r i ly r ed u ced b y p rev io u s d e fo rm at io n " . S o m e t im e l a t e rt h i x o t r o p y w a s d e f i n e d a s " a c o m p a r a t i v e l y s lo w r e c o v e ry , o n s t a n d i ng , o f t h e c o n s i s t e n c y l o stt h r o u g h s h e a r i n g " . H o w e v e r , t h i x o t r o p y h a s r e c e n tl y b e e n d e f i n e d b y B a r n e s , H u t t o n a n dW al t e r s [2 7 ] ( fo l lo w in g th e 1 97 5 B r i ti sh S tan d a rd s In s t i t u t io n d e f in i t i o n ) a s th e " d ec re ase [ int im e] o f . . . v i sco s i ty u n d er co n s tan t sh ea r s t r es s o r sh ea r r a t e , fo l lo w ed b y a g rad u a l r eco v eryw h en th e s t r e s s o r sh ea r r a t e i s r em o v ed " . (A s w e sh a l l see , t h i s i s n o t a co m p reh en s iv ed e s c r i p t i o n o f t h e p h e n o m e n o n - - a b e t t e r d e s c r i p t i o n w o u l d c o v e r t h e t e m p o r a l r h e o l o g i c a lr e sp o n se o f a m ic ro s t ru c tu re to ch an g es in im p o sed s t r e s s o r s t r a in r a t e . )


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H.A. Barnes/J . Non-Newtonian Fluid Mech. 70 1997) 1-33 7I t i s o b v i o u s t h e n t h a t w h i l e m o s t r h e o l o g i s ts t a k e a g e n e r a l vi e w o f th i x o t r o p y w h i c h c o v e rsa l l t im e e f fec t s r e su l t in g f ro m m ic ro s t ru c tu re ch an g es , i n th e p o p u la r im ag e , t h e o ld e r id ea o f ag e l - so l t r an s i t i o n o n sh ea r in g - res t in g is s t il l o f t en h e ld . S t r i c t ly sp e ak in g , w h a t i s u su a lly m ea n tb y t h i x o t r o p y i n t h a t c a s e w o u l d n o w b e t e r m e d ' e x t r e m e l y s h e a r t h i n n i n g ' , t o g i v e n e a rso l id - lik e p ro p er t i e s a t r e s t b u t f lo w u n d er s t r es s , a s fo r i n s t an ce in th ix o - fo rm in g u s in gs e m i - m o l t e n m e t a l s o r t h e a d d i t i o n o f s o - c al le d t h i x o t ro p e s t o p a i n ts .A b e t t e r a n d e x t e n d e d d e f i n i ti o n o f t h i x o t r o p y i s c l e ar l y n e e d e d , a n d i t s h o u l d c o n t a i n t h e i d e ao f b o th co n s id e rab le sh ea r th in n in g ( i.e ., g e l - f luid t r an s i t i o n ) an d a l so t im e ch an g es o v er an da b o v e t h o s e e n c o u n t e r e d w h e n i n i ts s t r u c t u r e d s t a te t h e t h i x o t r o p i c m a t e r i a l m i g h t b ev i sco e las t i c w i th i t s a t t en d an t t im e e f fec t s .

3. Description of the phenomenon

3 I Ge nera l cons idera t ions

A l l l i q u id s w i th m ic ro s t ru c tu re c an s h o w th ix o t ro p y , b e cau se th ix o t ro p y o n ly r e fl ec ts th e f in i tet i m e t a k e n t o m o v e f r o m a n y o n e s t a te o f m i c r o s t r u c t u r e t o a n o t h e r a n d b a c k a g a i n, w h e t h e rf ro m d i f f e ren t s ta t e s o f f lo w o r to o r f ro m rest . T h e d r iv in g fo rce fo r m ic ro s t ru c tu ra l ch an g e inf lo w i s th e r e s u lt o f t h e c o m p e t i t i o n b e t w e e n b r e a k - d o w n d u e t o f lo w s t re s se s , b u i ld - u p d u e t oi n - f l o w c o l l i s i o n s a n d B r o w n i a n m o t i o n . B r o w n i a n m o t i o n i s t h e r a n d o m t h e r m a l a g i t a t i o n o fa t o m s a n d m o l e c u l e s t h a t r e s ul ts i n e l e m e n t s o f t h e m i c r o s t r u c t u r e b e i n g c o n s t a n t ly b o m b a r d e d ,w h i c h c a u s e s t h e m t o m o v e t o a f a v o u r a b l e p o s i t i o n w h e r e t h e y c a n - - g i v e n t h e n e c e s s a r ya t t r a c ti v e f o r c e - - a t t a c h t h e m s e l v e s t o o t h e r p a r t s o f t h e m i c r o s t r u c tu r e . V e r y o c c a s i o n a ll ys i t u a t i o n s a r i s e w h e r e e x i s t i n g w e a k l y a t t a c h e d m i c r o s t r u c t u r a l e l e m e n t s - - b r o u g h t t o g e t h e r b yc o l li s i on d u r i n g s h e a r - - a r e s l ow l y t o r n a p a r t b y th e c o n s t a n t a c t i o n o f t h e r a n d o m B r o w n i a nm o t io n . In th a t case , t h e o p p o s i t e t o th ix o t ro p y i s seen , i . e . , an t i t h ix o t ro p y , w h ere f lo ws t ru c tu res an d r es t d es t ru c tu res th e m a te r i a l .T h e t e rm m ic ro s t ru c tu re , a s u sed h e re , w h i l e u su a l ly a s so c ia t ed in th ix o t ro p ic sy s t em s w i thf lo ccu la t ed p a r t ic l e s , can a l so m ean a l ig n m en t o f f ib res; f av o u rab le sp a t i a l d i s t r ib u t io n o fp a r ti c le s o r d r o p s , o r e n t a n g l e m e n t d e n s i ty o r m o l e c u l a r a s s o c i a t io n s i n p o l y m e r s o l u ti o n s . A l lth ese d e te rm in e th e l ev e l o f v i sco s i ty an d e l a s t i c i ty , an d th ey a l l t ak e t im e to ch an g e f ro m o n es t a te t o a n o t h e r u n d e r t h e a c t i o n o f s h e a r a n d / o r B r o w n i a n f or c es . I n t h e s e c a se s , t h e m a x i m u mm i c r o s t r u c t u r e i s se e n w h e n a l i g n m e n t a n d s p a ti a l d i s t r i b u ti o n a r e r a n d o m ( in t h r e e d i m e n s i o n s )a n d e n t a n g l e m e n t d e n s i ty is a t a m a x i m u m . B o t h t h e s e c o n d i t i o n s r e s ul t i n th e g r e a t e s t v is c o u s( a n d u s u a l l y e la s ti c ) r e s p o ns e . O n t h e o t h e r h a n d , m i n i m u m m i c r o s t r u c tu r e i s w h e n t h e r e i sm ax im u m a l ig n m en t w i th th e f lo w o f f ib res ; t h e d ro p o r p a r t i c l e sp a t i a l d i s t r ib u t io n i sa s y m m e t r i c a l i n th e f l ow d i re c t i o n , o r t h e r e a r e a m i n i m u m n u m b e r o f e n t a n g l e m e n t s o ra s s o c i a t i o n s - - a l l t h e s e le a d i n g to m i n i m u m v i s c ou s a n d e l a st ic r e s p o ns e .W h e n t h e t i m e s c a l e s d i s p l a y e d i n t h e s e c h a n g e s b e c o m e l o n g c o m p a r e d w i t h e i t h e r t h er e s p o n s e t i m e o f a v i s c o m e t e r ( or r h e o m e t e r ) , o r t h e f l o w - t i m e in a p a r t i c u la r f lo w g e o m e t r y , w ec a n s p e a k s e n s i bl y a b o u t t h i x o tr o p y . T h e s e t i m e s c a l e s o f t e n r a n g e f r o m s e c o n d s t o h o u r s , w i t hr e b u i l d i n g u s u a l l y t a k i n g m u c h l o n g e r t h a n b r e a k d o w n .


8/33

8 H . A . B a r n e s / J . N o n - N e w t o n i a n F l u i d M e c h . 7 0 1 9 9 7) 1 - 3 3

,a

0

....................... q u i l i b r i u m .............................................0 shea r ing t ime

Fig. 2 . Shear ing a thixot ropic l iquid af te r shor t and long rest t imes.3 2 Typica l behaviour

I f w e p l a c e a t h i x o t r o p i c m a t e r i a l i n t o a v i s c o m e t e r (s e e F i g . 2 ) a n d a p p l y a c o n s t a n t s h e a rr a t e , t h e me a s u r e d v i s c o s i t y w i l l d e c r e a s e w i t h t i me , b u t i t w i l l e v e n t u a l l y s t e a d y o u t t o ac o n s t a n t v a l u e . I f w e t h e n s w i t c h o f f t h e s h e a r a n d a l l o w t h e m a t e r i a l t o r e s t f o r a l o n g t ime( w i t h o u t d r y i n g o r a n y o t h e r a r t i f a c t s s u c h a s s e d i m e n t a t i o n o r s e p a r a t i o n o c c u r r i n g ) , a n ds w i t c h t h e s h e a r o n a g a i n , t h e me a s u r e d v i s c o s i t y w i l l b e i n i t i a l l y h i g h e r , b u t i t w i l l t h e n a g a i nd e c r e a s e a n d e n d u p a t t h e s a m e v a l u e a s t h a t w h i c h w a s s e e n a f t e r t h e o r i g i n a l l o n g - t e r ms h e a r i n g . H o w e v e r , t h e l e v e l f o r t h e o r i g i n a l v a l u e w i l l n o t n e c e s s a r i l y b e t h e s a me , b e c a u s e t h a tw i ll d e p e n d o n h o w c a r e fu l l y o r v i g o r o u s l y t h e m a t e r i a l w a s i n i ti a ll y l o a d e d i n t o t h e v i s c o m e t e ra n d h o w l o n g i t w a s l e f t t o r e s t b e f o r e s h e a r i n g .I f o n t h e o t h e r h a n d a t h i r d e x p e r i m e n t is p e r f o r m e d w h e r e t h e m a t e r i a l is a ll o w e d t o c o m et o e q u i l i b r i u m a n d t h e n a l l o w e d t o r e s t f o r t h e s a me t i me a s b e f o r e , t h e r e s u l t s w i l l b e i d e n t i c a l .I f n o w , a f t e r e q u i l i b r i u m i s a c h i e v e d , t h e s h e a r r a t e i s i n s t a n t a n e o u s l y d e c r e a s e d t o a l o w e rv a l u e , t h e me a s u r e d s h e a r s t r e s s d r o p s i n s t a n t l y , b u t t h e r e a f t e r i t w i l l s l o w l y i n c r e a s e t o w a r d s an e w e q u i l i b r i u m .( I f i n s t e a d o f a p p l y i n g a g i v e n s h e a r r a t e w e a p p l i e d a p a r t i c u l a r s h e a r s t re s s, t h e n t h e i n v e r s ea p p l i e s - - t h e s h e a r r a t e w o u l d i n c r e a s e a s t h e s t r u c t u r e b r e a k s d o w n a n d t h e c h a n g e t o a n o t h e r( l o w e r ) s h e a r s t r e s s w i l l r e s u l t i n a s u d d e n d e c r e a s e i n s h e a r r a t e f o l l o w e d b y a f u r t h e r d r o p , s e eFig. 3.)I f w e n o w e n q u i r e w h a t i s h a p p e n i n g o n a m i c r o s ca l e , w e c a n i m a g i n e t h e p i c tu r e p r e s e n t e di n F i g . 4 , w h e r e t h e v i s c o s i t y / s h e a r - r a t e b e h a v i o u r o f a t y p i c a l t h i x o t r o p i c ma t e r i a l ( w h i c h f o rt h e s a k e o f a r g u m e n t c o u l d b e a f l o c c u l a t e d s u s p e n s i o n ) i s p r e s e n t e d . W e s t a r t f r o m p o i n t aw h e r e t h e m i c r o s t r u c t u r e a t r e s t is a s e r ie s o f la r g e fl o cs . T h e n i f t h e a p p l i e d s h e a r r a t e isi n c r e a s e d p r o g r e s s i v e l y a n d s u f fi c ie n t t i me a l l o w e d , t h e f l o c si ze d e c r e a s e s u n t il a t a h i g h e n o u g hs h e a r r a t e , t h e f l o c h a s d i s i n t e g r a t e d c o mp l e t e l y i n t o i t s c o n s t i t u e n t p r i ma r y p a r t i c l e s .W e n o w i m a g i n e a n o t h e r e x p e r i m e n t w h e r e t h e s h e a r r a te i s i n c r e a se d s te p - w is e fr o m a t o e n du p a t p o i n t b . I n s t a n t a n e o u s l y , t h e f l o c s iz e w i l l b e t h a t a p p r o p r i a t e t o t h e s h e a r s t r e ss c o n d i t i o n sa t p o i n t a , b u t a s i t e x p e r i e n c e s t h e h i g h e r s h e a r r a t e a t p o s i t i o n a ' , i t b e g i n s t o e r o d e , u n t i l i tr e a c h e s a n e q u i l i b r i u m s i z e a p p r o p r i a t e t o t h e h i g h e r r a t e . T h i s p r o c e s s c a n t a k e s o me t i me . I fn o w t h e o p p o s i t e h a p p e n s - - t h e s h e a r r a t e i s i n s t a n t a n e o u s l y d e c r e a s e d - - t h e i n d i v i d u a l p a r t i c l e s


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H.A. Barnes//J. Non-Newtonian Fluid Mech. 70 1997) 1-33 9

~

T

S TE P E X P E R I M E N T S

. . . . . . . . . . . . . . . . . v a l u e s - ~

T i m e

>T i m e

. . . . . . . . . . . . 4 _ . . . . . . 7~ ~ . ~ equilibrium

Time

Time

>

Fig. 3. Tw o k inds of ste p experiment.( w h i c h g a v e t h e l o w v i s c o s i ty ) b e g i n t o c o l l i d e a n d f l o c c u l a t e u n t i l t h e s i ze o f t h e f l o c s o - f o r m e di s a p p r o p r i a t e t o t h e n e w , l o w e r s h e a r r a t e . T h i s p r o c e s s a l s o t a k e s t i m e , b u t t h e b u i l d - u pp r o c e e d s a t a d i f fe r e n t r a t e t h a n d o e s b r e a k d o w n .A n y c o n c e n t r a t e d s u s p e n s i o n o f p a r ti c le s i s s h e ar t h i n n i n g , t h u s w h e n w e c o n s i d e r f lo c s, t h e yt o o w i l l s h o w t h e p h e n o m e n a a s i l lu s t r a t e d i n F i g . 4 . I f w e i m a g i n e t h a t t h e p a r t i c l e s in a f lo ca r e p e r m a n e n t l y g l u e d t o g e t h e r a n d t h u s , t h e f l o c s i z e i s f i x e d , t h e f l o w c u r v e o f s u c h as u s p e n s i o n o f fi x ed - si z e f lo c s w o u l d f o l l o w t h e l i n es s h o w n i n t h e f i g u r e a c c o r d i n g t o t h e f l o cs iz e. I f t h e f l oc si ze is n o w d e c r e a s e d ( a n d t h e o v e r a l l c o n c e n t r a t i o n m a i n t a i n e d ) b u t a g a i n t h ef lo c s iz e r e m a i n s u n c h a n g e d w h e n s h e a r e d , t h e f l o w c u r v e w i l l b e l o w e r a n d ( f o r a g i v e nc o n c e n t r a t i o n ) t h e d e g r e e o f s h e a r t h i n n i n g d e c re a se s .

m

om

~a,t=

s hear ra te ( log s ca le )Fig. 4. M icrostructure and flow curves of a flocculated suspension.


10/33

10 H . A . B a r n e s / J . N o n - N e w t o n i a n F l u i d M e c h . 7 0 1 9 9 7 ) 1 - 3 3H o w e v e r b e c a u s e w e a r e i n t e r e s t e d i n s y s t e m s f l o c c u l a t e d i n a s e c o n d a r y m i n i m u m , t h e f l o c

s i z e i s n o t c o n s t a n t b u t d e c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g s h e a r r a t e ( o r s h e a r s t r e s s ) . B e c a u s e t h ev i s c o s i t y d e c r e a s e s w i t h f l o c s i z e ( s e e a b o v e ) , w e n o w h a v e a d o u b l e s h e a r - t h i n n i n g e f f e c t . T h i sm e a n s t h a t f l o c c u l a t e d s y s t e m s a r e v e r y s h e a r t h i n n i n g , s e e t h e e q u i l i b r i u m c u r v e i n F i g . 4 . T h i se x t r e m e s h e a r - t h i n n i n g a l s o r e s u l t s i n s u c h f l o c c u l a t e d , t h i x o t r o p i c s y s t e m s a p p e a r i n g t o h a v e ay i e l d s t r e s s , s i n c e t h e s t r e s s o n l y d e c r e a s e s v e r y s l o w l y a s t h e s h e a r r a t e i s d e c r e a s e d .

T h e t r u e s t e a d y - s t a t e b e h a v i o u r o f a t h i x o t r o p i c l iq u i d is se e n b o t h a f t e r a n i n f i n it e s h e a r i n gt i m e a t a n y s h e a r r a t e o r s h e a r s t r e ss o f i n t e r e s t o r i n f i n i te r e st t i m e . O f c o u r s e , a s a l l th e s ee q u i l i b r i u m s t a te s a r e a p p r o a c h e d a s y m p t o t i c a l l y , o n e c o m e s c lo s e t o t h i s s ta t e a f t e r a r e a s o n -a b l e r a t h e r t h a n a n i n f in i te ti m e , b u t e v e n t h e n , b r e a k d o w n t i m e s o f h o u r s a n d r e b u i l d in g t im e so f d a y s m i g h t b e n e c e s s a r y t o f u l ly d e s c r ib e a v e r y t h i x o t r o p i c s y s t e m .

I n a f l o c c u l at e d s ys t em , b r e a k d o w n i s t o w a r d s a n e q u i l i b r iu m s i t u a t io n t h a t i s g o v e r n e d b y ab a l a n c e o f h y d r o d y n a m i c s h e a r st re s se s p u l li n g s tr u c t u r e s a p a r t b y e r o s i o n , a n d a c o m b i n a t i o no f B r o w n i a n a n d s h e a r f o rc e s b u i l d i n g th e s t r u c t u r e u p b y c o l l is i o n a n d a c c r e t io n o f p ar t ic l e sw h i c h a g g l o m e r a t e i n t o f l o c s . T h e f o r c e s h o l d i n g t h e s t r u c t u r e t o g e t h e r a r e c o l l o i d a l i n n a t u r e ,a c t i n g o v e r s h o r t d i s t a n c e s ( ~ 1 0 n m ) w i t h i n t h e c o m p o s i t e p a r t ic l e . A t r e s t , o n l y t h e B r o w n i a nr e b u i l d i n g f o r c e s a r e p r e s e n t , a n d t h e s e a r e q u i t e s m a l l c o m p a r e d t o t h e s h e a r i n g f o r c e s , b e i n go f o r d e r 1 k T . T h i s m e a n s t h a t t h e r e b u i l d i n g ti m e c a n b e v e r y lo n g , s i nc e th i s s m a ll , r a n d o mf o r c e t a k e s a l o n g t i m e t o r e a r r a n g e l a r g e p a r t i c l e s t h a t a s f l o c s a r e g e t t i n g l a r g e r a n d l a r g e r a st h e y m o v e i n t o a m o s t f a v o u r a b l e s t r u c t u r e , w h i c h is th e n m a n i f e s t e d as a h i g h e r a n d h i g h e rv i s c o s i t y .

T h e t y p i c a l r e s p o n s e t o a s t e p - w i s e c h a n g e f r o m o n e s t e a d y s t a t e c o n d i t i o n t o a n o t h e r i s , i nt e r m s o f t h e v is c o s it y , o f t e n c h a r a c t e r i s e d b y t h e s o - c a l le d s t r e t c h e d e x p o n e n t i a l m o d e l :

F / = Y ] e , o Q - ~ - g / e , ~ - - r / ~ , o ) 1 - - e - t / ~ ) ~ ) , (1)w h e r e r/e,0 i s th e v i s c o s i ty a t t h e c o m m e n c e m e n t o f s h e a r i n g , ~ /e .~ t h e v i s c o s i ty a f t e r s h e a r i n g f o ra n i n f i n i te ti m e , z i s a t i m e c o n s t a n t a n d r i s a d i m e n s i o n l e s s c o n s t a n t ( w h i c h i n t h e s i m p l e s t c as ei s u n i t y ) . T h i s e q u a t i o n c a n c o p e w i t h b u i l d - u p a n d b r e a k - d o w n i n s t e p - u p o r s t e p - d o w n t e s t s ,w i t h t h e v a l u e s o f ~ a n d r d e p e n d i n g o n b o t h t h e l e ve l a n d t h e d i r e c t i o n , i .e ., g o i n g f r o m 1 0 t o1 s - 1 w i l l n o t h a v e t h e s a m e v a l u e o f f f o u n d i n g o i n g f r o m 1 t o 1 0 s - 1. T h e v a l u e s o f r a ls ov a r y w i t h t h e c o n d i t i o n s o f t h e t e s t , as w e l l a s t h e p a r t i c u l a r s y s t e m b e i n g t e s t e d , a n d t h e yd e c r ea s e l in e a rl y w i t h t h e l o g o f t h e s h e a r r a te , t y p i c al l y f r o m 0 . 7 - 0 . 9 a t l 0 - 2 s - 1 t o 0 . 3 - 0 . 4a t 1 s - 1 i n M e w i s ' e x p e r i m e n t s [ 2 8] . H e a l s o s h o w e d t h a t f o r a t y p i c a l f lo c c u l a t e d s y s t e m ( f u m e ds i l ica in pa r a f f in o i l ) , z i s a de c re as i ng fu nc t io n o f r/e.O ~ /~ /oon t, w he re qcon t i s the v i sc os i ty o f thec o n t i n u o u s p h a s e, w h i c h w h e n t a k e n i n t o a c c o u n t , p r o p e r l y d e s cr i be s t h e e ff e ct o f t e m p e r a t u r e .( H e a l s o r e p o r t s o p t i c a l , d i e le c t ri c a n d c o n d u c t i v i t y r e s u lt s o n t h e s e s y s te m s ) .H e y m a n n e t a l. [ 2 9 ] i n v e s t i g a t e d t h e b u i l d - u p a f t e r s h e a r i n g o f t h e y i e l d s t re s s o f fi ven e w s p r i n t i n k s, w i t h t h e f o r m u l a t i o n c o n t a i n i n g c a r b o n b l a ck . A p e r i o d o f p r e - s h e a ri n g w a sc a r r ie d o u t a t 1 50 0 P a , a n d t h e n t h e f lo w c u rv e s w e r e m e a s u r e d a s a f u n c t i o n o f t im e . F o r t h o s ei n k s , j u d g e d t o h a v e a y i e ld s tr e s s ~ y, a n e q u a t i o n s i m i l a r t o E q . ( 1) w a s u s e d t o d e s c r i b e t h er e b u i l d i n g :

rat = oy + [ t r y - - o r ] 1 - - e - ~ t / ~ ) ) 2 )


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H.A. Barnes/J. Non-Newtonian Fluid Mech. 70 1997) 1-33 11F o r t h e s e m a t e r i a l s s o d e s c r i b e d , t h e v a l u e s o f v w e r e f o u n d t o b e w e l l o v e r 1 0 0 s . F o r t h i s

r e a s o n , i t w a s j u d g e d t h a t t h e r e c o v e ry b e h a v i o u r h a d n o r e le v a n c e to t h e p r i n t i n g p r o c e ss ,b e c a u s e t h e s e p r o c e s s t i m e s a r e o f t h e o r d e r o f a f e w s e c o n d s a t m o s t .

N o t o n l y c a n s h e a r b r e a k d o w n o r b u i l d u p f l o c s , b u t i t c a n a l s o c h a n g e t h e i r i n t e r n a lm o r p h o l o g y . F o r i n s ta n c e , t h e w o r k o f M i l ls e t al . [3 0 ] s h o w e d t h a t s h e a r i n g f re s h ly p r e p a r e df l o c c u l a t e d s u s p e n s i o n s c a n d e n s i f y i n d i v i d u a l f lo e s , c a u s i n g r e o r g a n i s a t i o n w i t h i n t h e f lo c s. T h i ss h o w s h o w i m p o r t a n t i t i s t o ' c o n d i t i o n ' s u c h s y s t e m s b e f o r e s h e a r i n g t h e m i n e x p e r i m e n t s t oe l u c id a t e t h e ir t h i x o t r o p i c b e h a v i o u r . T h e y f o u n d t h a t f o l l o w i n g p r o l o n g e d s h e a r i n g , l o os e -p a c k e d f lo c s b e c a m e t i g h t l y p a c k e d a n d m o r e m o n o d i s p e r s e d . T h i s c a n b e i n t e r p r e te d a s ap e r m a n e n t l o ss o f s t r u c t u r e - - r h e o m a l a x i s o r r h e o - d e st r u ct i o n.

T h e e x p e r i m e n t s o f W o l t h e r s e t a l. [ 3 1] s h o w u s h o w i m p o r t a n t t h i x o t r o p y c a n b e i n a t y p ic a lf l o c cu l a te d s y s t em s . T h e y e x a m i n e d t h e b e h a v i o u r o f a d e p l e t i o n - f l o c c u la t e d p o l y m e r l a t e xs u s p e n s i o n a n d s h o w e d t h a t t h e s h e a r s t re s s d r o p p e d s i g n i f i ca n t l y w i t h t i m e , a n d w a s s ti lld e c r e a s i n g a f t e r 1 h . T h e v a l u e s o f t h e i n it i a l a n d f i n a l v is c o s it i es t h e y f o u n d w e r e a t l e a st a no r d e r o f m a g n i t u d e d i ff e r en t . T h e y a l s o f o u n d t h a t t h e u n s h e a r e d s a m p l e s w e r e m o r e o p e n f l oc sw h i l e s h e a r i n g m a d e t o f r e s h f l o c s m o r e d e n s e .3 3 An t i t h i xo t ropy

A s w e h a v e a l r e a d y s e e n , g i v e n t h e r i g h t k i n d o f a t t r a c t i o n b e t w e e n p a r t ic l e s , s h e a r i n g c a np r o m o t e t e m p o r a r y a g g r e g a t i o n r a t h e r t h a n b r e a k d o w n , d u e t o t h e c o ll i si o n o f t h e s e a t t ra c t i v ep a r t i c l e s - - t h i s r e su l ts i n a n t i- t h i x o t r o p y . D o r a i s w a m y e t al . [3 2 ] h a v e s h o w n t h a t t h e a v e r a g ea g g l o m e r a t e s iz e o f a s u s p e n s i o n i n s h e a r w a s g i v e n b y

r-- = exp[(8~b~Et)/3Tc], (3)F0w h e r e E w a s t h e p r o b a b i l i t y t h a t a c o l l i si o n o f p a rt i c le s w o u l d r e s u l t in a g g l o m e r a t i o n , a n d r a n dr0 w e r e t h e r a d i u s o f t h e s h e a r e d a n d u n s h e a r e d f l o cs , r e s p e c ti v e l y . T h e y t h e n d e s c r i b e d a ne x p e r i m e n t w h e r e a 1 2% p h a s e v o l u m e s u s p e n s i o n o f i n o r g a n i c p i g m e n t in a l o w m o l e c u l a rw e i g h t p o l y m e r i c f l u id g r o w s f r o m 3 . 4 t o 8 8.1 ja m a f t e r fl o w i n g t h r o u g h a 5 0 m l o n g t u b e o fd i a m e t e r 0 .0 3 8 m . T h i s m e a n t t h a t t h e v a l u e o f E w a s a s l ow a s 0 . 00 6 . T h e y p o i n t e d o u t t h a t t h i sv a l u e w i l l t e n d t o z e r o a b o v e a c r i t i c a l s t r e s s w h e n t h e a g g l o m e r a t e s b e g i n t o d i s i n t e g r a t e . I ns e p a r a t e e x p e r i m e n t s o n a 4 g m g l a s s b e a d s i n c o r n s y r u p s u s p e n s i o n i n a c o n e - a n d - p l a t ev i s c o m e t e r , t h e y s h o w e d t h a t t h e a g g l o m e r a t e s i z e t e n d e d t o a s t e a d y v a l u e a f t e r s h e a r i n g f o rm o r e t h a n a b o u t 2 h . C h a n g a n d S m i t h [3 3] s h o w e d t h a t t h i s k i n d o f b e h a v i o u r is se e n i n c er t a i nn u c l e a r w a s t e s i m u l a t e s l u r r i e s , e s p e c i a l l y i f s i l i c a (SiO4) i s p r e s e n t .

A n t i t h i x o t r o p y c a n a l s o a r i s e b e c a u s e c e r t a i n f l o e s c a n b e c o m e l o o s e r a n d m o r e o p e n u n d e rt h e a c t i o n o f s h e a r a n d t h u s t h e v i s c o s i t y i n c re a s e s . O n e g o o d e x a m p l e o f t h is n e g a t i v e ( o r a n t i- )t h i x o t r o p y i s f e rr i c - o x id e s u s p e n s i o n s i n m i n e r a l o i l, s e e [ 3 4 ] . S u s p e n s i o n s o f a c i c u l a r , f i n em a g h e m i t e a re k n o w n t o s h o w a s t r o n g t e n d e n c y t o f lo c c u l at e d u e t o t h e m a g n e t i c p r o p e r t ie s o ft h e p a r t ic l e s . L i k e o t h e r s u c h s u s p e n s i o n s , t h e r e i s a r a n g e o f fl o w c o n d i t i o n s u n d e r w h i c hs h e a r - e n h a n c e d c o l l i s i o n s m a k e s t r u c t u r e r a t h e r t h a n b r e a k i t . I n t h i s c a s e t h e o n s e t o fa n t i t h i x o t r o p y i s a r o u n d 5 0 s 1. B e l o w t h a t r a n g e t h e s u s p e n s i o n s a r e t h i x o t r o p i c in t h e n o r m a lw a y , w h i l e a b o v e t h i s c ri t ic a l v a lu e , s t r o n g a n t i - t h i x o t r o p y s e ts in . T h e y c o n c l u d e t h a t t h e s h e a rl o o s e n s t h e f t o c s , w h i c h t h e n h a v e a h i g h e r e f f e c t i v e p h a s e v o l u m e .


12/33

12 H.A. Barnes/J . Non-Newtonian Fluid Mech. 70 1997) 1-33

v i scoe last i c re spon se

~ 4~ e q u ~

shearing time, t

in e lasti c , v i scou s re spon se

shearing time, t

F i g . 5 . D i f f e r e n t k i n d s o f t h i x o t r o p i c b e h a v i o u r o n s t a r t u p o f s h e a r a f t e r v a r i o u s d e g r e e s o f r e s t ( n e g l e c t i n gi n s t r u m e n t i n e r t i a ) .4. Viscoelasticity nd thixotropy

V i s c o e l a s ti c s y s t e ms s h e a r e d i n t h e i r l i n e a r r e g i o n s h o w t i me - d e p e n d e n c y b e c a u s e t h e mi -c r o s t r u c t u r e t a k e s t i me t o r e s p o n d t o t h e f l o w / s t r e s s . A t s h o r t t i me s ( h i g h f r e q u e n c i e s ) t h es t r u c t u r e s c a n n o t r e s p o n d q u i c k l y , a n d w e s e e a n e l a s t i c r e s p o n s e , w h i l e g i v e n t i me ( l o wf r e q u e n c i e s ) , th e s y s t e m c a n a d j u s t i t s e lf c o n t i n u o u s l y , i . e. , it c a n f l o w , s h o w i n g v i s c o u s e f f ec t s.T h u s , w h e n o b s e r v e d o v e r a l l t i me ( a n d f r e q u e n c y ) s c a l e s , t h e s y s t e m i s v i s c o e l a s t i c .

F o r n o n - l i n e a r v i s c o e l a s t i c - - o r s i m p l y i n e l a s t i c b u t s h e a r - t h i n n i n g s y s t e m s - - n o t o n l y d o e st h e mi c r o s t r u c t u r e t a k e t i me t o r e s p o n d t o t h e f l o w , b u t i t i s a l s o c h a n g e d b y t h e f l o w a n d t h i sc h a n g e w i l l i t s e l f t a k e t i me . T h i s i s t h e e s s e n t i a l d i f f e r e n c e b e t w e e n l i n e a r v i s c o e l a s t i c i t y a n dt h i x o t r o p y - - t h a t w h i l e b o t h a r e t i m e e f f e c t s , t h e f o r m e r i s i n t h e l i n e a r r e g i o n , w h e r e t h es t r u c t u r e r e s p o n d s b u t r e m a i n s u n c h a n g e d a n d t h e l a t t e r t a k e s p l a c e i n t h e n o n - l i n e a r r e g i o nw h e r e t h e s t r u c t u r e i s b r o k e n d o w n b y d e f o r m a t i o n a s w e l l a s r e s p o n d i n g t o i t .S h e a r t h i n n i n g c a n o c c u r f o r m a n y r e a s o n s , e . g . , : a l i g n m e n t o f r o d - l i k e p a r ti c l e s i n t h e f lo w d i r e c ti o n ; l o s s o f j u n c t i o n s i n p o l y m e r so l u t i o n s ; r e a r r a n g e m e n t o f m i c r o s t r u c t u r e i n s u s p e n s io n a n d e m u l s i o n f lo w a n d b r e a k d o w n o f f lo cs .

S i nc e c h a n g e s i n a n y o f t h e s e s ta te s t a k e s o m e t i m e t o c o m e a b o u t ( e it h e r f r o m r e st o r f r o ms o me o t h e r c o n f i g u r a t i o n ) , t h i x o t r o p y i s a l w a y s ( i n p r i n c i p l e ) t o b e e x p e c t e d f r o m a n y s h e a r -t h i n n i n g m e c h a n i s m . H o w e v e r t h i x o t r o p y b e c o m e s s ig n i fi c an t w h e n t h e t im e - s c a le o v e r w h i c h i ti s s e e n b e c o me s s i g n i f i c a n t l y l o n g e r t h a n t h e r e s p o n s e t i me s o f i n s t r u me n t s u s e d t o me a s u r er h e o l o g y o r l o n g e r t h a n s o me f l o w t i me i n a p r o c e s s , e . g . , t h e a v e r a g e t i me a l i q u i d t a k e s t o f l o wt h r o u g h a p i p e . T h i x o t r o p i c t i me s c a l e s c a n b e l o n g e r t h a n v i s c o e l a s t i c t i me s c a l e s a n d a r ep r a c t i c a l l y i m p o r t a n t w h e n t h e s e t i m e s c a l e s b e c o m e m i n u t e s a n d l o n g e r f o r b r e a k d o w n . T h i sw i ll i n e v it a b ly m e a n m a n y m o r e m i n u t e s o r e v e n h o u r s f o r r e c o v e r y o f t h e s t ru c t u r e . G i v e n t h en a t u r e o f mo s t mi c r o s t r u c t u r a l f e a t u r e s w h i c h p r o d u c e t h i x o t r o p i c e f f e c t s ( s e e a b o v e ) , i t i so b v i o u s t h a t a t c o n d i t i o n s n e a r t h e f u l l y s t r u c t u r e d r e s t s t a t e , v i s c o e l a s t i c e f f e c t s w i l l a l s o b es e e n . T h e t y p i c a l r e s p o n s e t o a s t a r t u p e x p e r i me n t f r o m a r e s t e d s t a t e s h o w s t h i s , s e e F i g . 5 .O n l y a f e w t h e o r i e s h a v e s o u g h t t o a c c o u n t f o r t h i s e f f e c t , w h i c h s h o w s c o n c u r r e n t l y ab r e a k d o w n / r e b u i l d i n g o f b o t h v i sc o u s a n d e l as t ic r e s p on s e s .


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H.A. Barnes /J . Non-Newtonian Flu id M ech. 70 1997) 1-33 13T h e p i c t u r e p r e s e n t e d b e c o m e s e v e n m o r e c o m p l i c a t e d w h e n w e c o n s i d e r t h e l i n e a r vi s co e la s -

t i c r e s p o n s e o f a r e b u i l d i n g s t r u c t u r e , w h e r e t h e t y p i c a l s t o r a g e a n d l o s s m o d u l i - - G ' a n dG " - - c u r v e s e v o l v e w i t h t i m e . T h i s c a n b e u s e d a s a m e a s u r e o f t h e r e b u i l d i n g m o d e s i n c e t h et e s t i s c o n d u c t e d a t l o w - e n o u g h s t r e s s e s / d e f o r m a t i o n s t h a t t h e e v o l v i n g s t r u c t u r e i s u n a f f e c t e db y t h e d e f o r ma t i o n . T h e g r o w t h o f G ' p a r t i c u l a r l y i s v e r y s e n s i t i v e t o s t r u c t u r e r e b u i l d i n g . B a r u te t a l. [ 3 5 ] s t u d i e d a n a c r y l i c p o l y m e r s o l u t i o n i n a m i x t u r e o f s o lv e n t s , w i t h T iO 2 o r a m i x t u r eo f T i O 2 a n d a l u mi n o - s i l i c a t e p a r t i c l e s . T h e s e w e r e p r e - s h e a r e d i n a c o n t r o l l e d - s t r e s s r h e o me t e ra t 2 0 0 P a f o r 2 mi n a n d a f t e r t h i s c e a s e d , t h e l i n e a r o s c i l l a t o r y p r o p e r t i e s w e r e mo n i t o r e d f o r1 0 m i n a t s t r a i n s le s s t h a n 0 .1 o v e r a f r e q u e n c y r a n g e 0 . 0 3 - 6 2 . 8 r a d s 1. T h e f o r m o f t h er e b u i l d i n g c u r v e o f t h e s t o r a g e m o d u l u s w a s o f a s t r e t c h e d e x p o n e n t i a l f o r m :

G ' = G k - ( G " - G ; )e xp ( - k t P) . (4)W i l l ia m s a n d R e n [ 36 ] u s e d th e V i r tu a l G a p R h e o m e t e r o p e r a t i n g o v e r t h e r a n g e 2 5 0 - 8 0 0 H zt o e x a m i n e t h e r e b u i ld i n g o f 0 .0 4 5 g m l - 1 a q u e o u s L a p o n i t e R D d i s p e rs i o n s (s y n t h e ti c

h e c t o r i t e - t y p e c l a y , c i rc u l a r d i sc s ,-- 3 00 x 1 0 A ) , a g a i n m e a s u r e d b y G ' b u t n o w d e r i v e d f r o mt h e p h a s e v e l o c i t y . A t t h e s e h i g h f r e q u e n c i e s , G ' i s a p a r t i c u l a r l y s e n s i t i v e me a s u r e o f s t r u c t u r ea s t h e s o l i d - l i k e r e s p o n s e o f t h e c l a y . T h e y s h o w e d t h a t r e s t r u c t u r i n g w a s s i g n i f i c a n t o v e r t h ef ir s t 1 0 m i n o r s o , b u t w a s s ti ll g o i n g o n a f t e r 2 0 m i n . V i e w e d o n a l o g s c a le t h e r e is a r is e f r o ma n i n i t i a l v a l u e a t s ma l l t i me s a n d a f a s t b u i l d u p t h r o u g h a p o w e r - l a w r e g i o n , e v e n t u a l l y ( a s i tmu s t ) f l a t t e n i n g o u t a t t i me s g r e a t e r t h a n 2 0 mi n .B o u d a a n d M i k e g o vf i [ 3 7 ] s i m u l t a n e o u s l y m o n i t o r e d t h e A C c o n d u c t i v i t y a n d t h e s t o r a g em o d u l u s G ' t o e s ta b l is h t h e b u i l d u p o f a c a r b o n b l a c k n e t w o r k i n a p o l y e t h y l e n e m e l t . A f t e r a ni n i t i a t i o n p e r i o d w h e r e t h e c o n d u c t i v i t y w a s c o n s t a n t , i t t h e n i n c r e a s e d r a p i d l y . T h e t i me a 7 . 4w e i g h t % s a m p l e t o o k t o s h o w t h e r a p i d i n c r e a s e w a s n e a r l y 2 0 0 r a i n . S i m i l a r b e h a v i o u r w a sa l s o o b s e r v e d f o r G ' . T h e y e x p l a i n e d t h e o b s e r v a t i o n s a s r e s u l ti n g f r o m t h e s e t t i n g u p o f ac o n t i n u o u s n e t w o r k , a n d u s i n g p e r c o l a t i o n t h e o r y s h o w e d t h a t t h e o b s e r v e d b e h a v i o u r w a se x p l a i n a b l e o n t h e b a s i s o f d i f f u s i o n - l i mi t e d a g g r e g a t i o n o f s ma l l c l u s t e r s o f p r i ma r y c a r b o n -b l a c k p a r t ic l e s u n d e r t h e a c t i o n o f B r o w n i a n m o t i o n . A s t h e f lo c s c o l li d e a n d s t ic k t o g e t h e r t h e ye v e n t u a l ly f o r m a n i n t e r c o n n e c t i n g n e t w o r k a s t h e p e r c o l a t io n t h r e s h o l d i s re a c h e d , a t w h i c hp o i n t b o t h t h e e l e c t ri c a l c o n d u c t i v i t y a n d t h e s t o r a g e m o d u l u s G ' r o s e r a p i d l y , s e e a l s o [ 38 ].

O n t h e o t h e r h a n d , G r e e n e r a n d C o n n e l l y [ 3 9 ] p o i n t o u t h o w e a s y i t is t o m i s i n te r p r e tt h i x o t r o p i c l o o p s , p a r t i c u l a r l y i f t h e r e i s v i s c o e l a st i c it y p r e s e n t i n t h e s a mp l e b e i n g t e s t e d . T h e yc o m p a r e t h e s u p p o s e d t h i x o t r o p i c b e h a v i o u r o f a n a q u e o u s p o l y a c r y l a m i d e s o l u t io n w i t h t h ep r e d i c t e d b e h a v i o u r o f th e W a g n e r m o d e l a n d s h o w t h a t a ll t h e e ff e ct s a r e a c c o u n t e d f o r b y t h en o n - l i n e a r v i s c o e la s t ic b e h a v i o u r , a n d n o t b y t r u e t h i x o t r o p y

5. Typical thixotropic experiments5 . 1 . T h i x o t r o p i c / h y s t e r e s i s l o o p s

O n e o f t h e f a v o u r i te w a y s o f m e a s u r i n g t h i x o t r o p y is t o p e r f o r m a l o o p t e st ; t h a t i s t o s a y ,t o l i n e a r l y i n c r e a s e t h e s h e a r r a t e ( o r s o me t i me s s h e a r s t r e s s ) f r o m z e r o t o a ma x i mu m v a l u e ,a n d t h e n t o r e t u r n a t t h e s a me r a t e t o z e r o . T h i s t e s t c o u l d t h e n b e r e p e a t e d a g a i n a n d a g a i n ,


14/33

14 H . A . B a r n e s / J . N o n - N e w t o n i a n F l u i d M e c h . 7 0 1 9 9 7) 1 - 3 3

u n t i l e v e n t u a l l y , a c o n s t a n t l o o p b e h a v i o u r i s s e e n , s e e F i g . 6 . T h e a r e a b e t w e e n t h e u p a n dd o w n c u r v e i s a u t o m a t i c a l l y m e a s u r e d i n s o m e c o m p u t e r - b a s e d r h e o m e t e r s a s a m e a s u r e o ft h i x o t r o p y .

T h i s k i n d o f t e s t i s t o b e d e p r e c i a t e d , f o r a l t h o u g h u s e f u l a s a q u i c k , q u a l i t a t i v e p r o c e d u r e i th a s a n u m b e r o f b a d p o i n t s . F i r s t , t h e l o o p t e s t i s o f t e n c a r r i e d o u t t o o q u i c k l y , a n d i n e r t i ae f fe c t s d u e t o t h e m e a s u r i n g h e a d a r e i n t r o d u c e d b u t n o t a l w a y s r e c o g n i s e d . ( H o w e v e r , i n e rt i a le ff e ct s c a n n o w b e a c c o u n t e d f o r b y s o m e r h e o m e t e r s o f t w a r e p a c k a g e s . ) S e c o n d l y , a t e s t w h e r eb o t h s h e a r r at e a n d t i m e a r e c h a n g e d s i m u l t a n e o u s l y , o n a m a t e r i al w h e r e t h e r e s p o n s e is it s e lfa f u n c t io n o f b o t h s h e a r ra te a n d t i m e - - a s t h i x o t ro p y o b v i o u s ly i s - - i s b a d e x p e r im e n t a t i o n ,b e c a u s e t h e r e s p o n s e c a n n o t t h e n b e r e s o l v e d i n t o t h e s e p a r a t e e f f e c t s a r i s i n g f r o m b o t hv a r i ab l e s . H o w e v e r t h e p r o b l e m i n i n t e r p r e t i n g t h e l o o p i s e v e n m o r e d i f f i cu l t w h e n w e r e a li s et h a t t h e f i rs t p a r t o f t h e b e h a v i o u r o n s t a r t - u p i s e s s e n t ia l l y e l a st ic . A s t h e s t r a i n b e c o m e s l a rg e ,t h i s m o v e s t o n o n - l i n e a r e l a s t ic r e s p o n s e . I f t h e b e h a v i o u r w e r e j u s t l i n e a r e l as t ic i ty , t h e n t h es t r a in i n a s i m p l e l o o p t e s t i n c r e as e s p a r a b o l i c a l l y , a n d t h e c u r v e i s c o n c a v e t o s t a r t w i t h , b u ts o o n t u r n s o v e r . A t t h e s a m e t i m e t h e v i s c o u s b e h a v i o u r c a n b e c o m e a p p a r e n t i n t h e f i r s tt e n d e n c y t o f l at t e n o u t . T h e v i s co u s b e h a v i o u r t h e n i t se l f b e c o m e s n o n l i n e a r a s t h e s t r u c t u r eb e g i n s t o b r e a k d o w n a t l a r g e s t r a i n s . A s t h e s t r a i n r a t e i n c r e a s e s f u r t h e r , t h e l i q u i d w o u l d l i k et o s h e a r - t h i n , b u t t h i s t a k e s t i m e s i n ce t h e s t r u c t u r e c a n n o t a d j u s t i t s e l f f a s t e n o u g h t o r e s p o n dt o t h e i n c re a s i n g s h e a r r at e . W h e n t h e t im e i s l o n g e n o u g h a n d t h e s t r u c t u r e h a s b r o k e n d o w n ,t h e d o w n c u r v e w i l l b e u n d e r t h e u p c u r v e . R e b u i l d i n g w i l l t h e n b e g i n t o t a k e p l a c e s l o w l y . E v e nw i t h a n a p p a r a t u s t h a t r e s p o n d s p e r f e ct l y t o t h e s t re s s a n d s t r a in , i n t e r p r e t i n g th e d a t a t o o b t a i nt h e p a r a m e t e r s c o r r e s p o n d i n g t o a m o d e l is v e r y d i ff i cu l t i f n o t i m p o s s i b l e .

A s i m p l e r a n d m o r e s e n s i b l e t e s t f o r a t h i x o t r o p i c l i q u i d i s p e r f o r m i n g a n d d e r i v i n g r e s u l t sf r o m s te p -w i s e e x p e r im e n t s w h e r e t h e s h e a r r a t e o r s tr es s i s c h a n g e d f r o m o n e c o n s t a n t v a l u e t oa n o t h e r w i t h a c a r e f u l l y c o n t r o l l e d p r e h i s t o r y . E v e n s o , i t i s i m p o s s i b l e t o e l i m i n a t e a n e l a s t i cr e s p o n s e a n d i n s t r u m e n t i n e r t i a .

5.2. Start up experimentsA n y e x p e r i m e n t t h a t s t a rt s f r o m r e st is a n o t h e r k i n d o f t h ix o t r o p i c t es t. T h e t y p ic a l b e h a v i o u r

o f s tr a i n - o r s t r e s s - c o n t r o l l e d e x p e r i m e n t s is s h o w n i n F i g . 7 . M o s t , i f n o t a l l , t h i x o t r o p i c

second loopn th oop

shear rate, 1/sF i g . 6 . A t y p i c a l t h i x o t r o p i c - l o o p t e s t .


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H.A. Barnes /J . Non-Newtonian Fluid Mech. 70 1997) 1-33 15

time of shearingFig. 7 . Various f low regimes af te r s ta r t up.

m a t e r i a l s t h a t h a v e b e e n a t r e st f o r s o m e t i m e s h o w v i sc o e la s ti c b e h a v i o u r , s o t h e i m m e d i a t er e s p o n s e i n s u c h t e s t s is el a st ic , t h e n d e p e n d i n g o n t h e c o n d i t i o n s , a t h i x o t r o p i c r e s p o n s e w i l l b es e e n e i t h e r a s a n o v e r s h o o t i n t h e s t r e s s i n s t r a i n - c o n t r o l l e d e x p e r i m e n t s o r a n i n c r e a s e i n t h es l o p e o f t h e s t r a i n - t i m e c u r v e i n c r e e p t e st s . T h i s s o m e t i m e s h a p p e n s a f t e r a c r i t i c al s t r a i n h a sb e e n a c h i e v e d . T h i s i n i ti a l el a st i c r e s p o n s e g i v i n g w a y t o a t h i x o t r o p i c v i s c o u s r e s p o n s e m a k e st h e b e h a v i o u r q u i t e c o m p l i c a t e d .

5 3 Ar tifac ts involved in measuring thixo tropyT h e g r e a te s t d i f fi c u lt y i n u n d e r s t a n d i n g a n d m o d e l l i n g th i x o t r o p i c m a t e r i a l s i s k n o w i n g t h e

e ff ec t o f t h e - - o f t e n u n k n o w n - - d e f o r m a t i o n p r e h i s to r y o n t h e l iq u id o f in te re s t. T h i s isp a r t i c u l a r l y t r u e i n s i t u a t i o n s w h e r e a t h i x o t r o p i c l i q u i d i s s u b j e c t t o m i x i n g a n d p u m p i n g , o re v e n t h e s e e m i n g l y s i m p l e t a s k o f f il li n g a v i s c o m e t e r o r r h e o m e t e r . I n b o t h c a s e s i t w o u l d b ei n t e r e s t i n g t o b e a b l e t o p r e d i c t t h e s u b s e q u e n t f l o w e v e n i f o n l y t h e i n i t i a l r e s p o n s e w a s k n o w n ,s a y th e i n it i a l t o r q u e o n a v i s c o m e t e r o p e r a t i n g a t a c e r t a i n s h e a r r a te , o r t h e t o r q u e o n a m i x i n gv e s s e l p r i o r t o t h e l i q u i d b e i n g p u m p e d o u t .

A n u m b e r o f m e t h o d s h a v e b e e n d e v i s e d t o e s t a b l i s h a c o n s i s t e n t i n i ti a l c o n d i t i o n : fi x e d r e s tt i m e a f t e r s a m p l e l o a d i n g ; p r e - s h e a r a t a p r e s c r i b e d s h e a r r a t e f o r a p r e s c r i b e d t i m e f o l l o w e d b ya s e t r e s t p e r i o d ; p r e - s h e a r i n g t o e q u i l i b r i u m a t a l o w s h e a r r a t e f o l l o w e d b y t e s t i n g a t a h i g h e rs h e a r r a t e , e t c . T h e s e e l i m i n a t e t h e p r o b l e m i n c h a r a c t e r i s a t i o n , b u t t h e y c a n n e v e r c o m p l e t e l ye l i m i n a t e t h e p r o b l e m i n p r a c t i s e, s i n c e t h e e f fe c ts o f p r e h i s t o r y o n a p r e v i o u s l y u n t e s t e d s a m p l ei s a l w a y s u n k n o w n .

T h e m e c h a n i c a l i n er t ia o f t h e r o t a t i n g m e m b e r s i n v is c o m e t e r s a n d r h e o m e t e r s m e a n s t h a t i ne x p e r i m e n t s w h e r e t h e s h e a r r a te o r s t re s s is c h a n g e d q u i c k l y o r i n s t a n t a n e o u s l y , t h e i n s t r u m e n tr e s p o n s e i s d e l a y e d , a n d t h i s is o f t e n m i s t a k e n f o r t h i x o t r o p y , a n d , e v e n i f t h i x o t r o p y i s p r e s e n t ,i t c a n c o m p l i c a t e it s m e a s u r e m e n t . S o m e t i m e s th e p r e s e n c e o f a l o w c o m p l i a n c e s p r i n gc o m p l i c a t e s t h e m e a s u r e m e n t b e c a u s e t h e o u t p u t o f t h e e x p e r i m e n t r e la t es t o t h e s p r i n g w i n d i n gu p .

F o r t h i x o t r o p i c m a t e r ia l s , a s w e h a v e s e en , a ty p i c a l s o u r c e o f t h e p h e n o m e n o n is b r e a k d o w no f fl o cs . H o w e v e r t h e a p p e a r a n c e o f a p p a r e n t s l i p a t t h e w a l l, e .g . , d e p l e t i o n , c a n a l s o a r i se f r o mf lo c s b e c a u s e t h e y a r e l a rg e , s e e B a r n e s [ 41 ]. T h i s i s a c a s e w h e r e o b s e r v i n g t h e p r e s s u r e g r a d i e n t


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16 H . A . B a r n e s / J . N o n - N e w t o n i a n F l u i d M e c h . 7 0 1 9 9 7) 1 - 3 3a l o n e w i l l n o t d i f f e r e n t i a t e o r a c c o u n t f o r b o t h e f f e c t s . A d e t a i l e d i n v e s t i g a t i o n o f t h e i n t e r n a lf l ow p r o f i le w i ll a l o n e s h o w w h a t i s h a p p e n i n g . A s w e l l a s p i p e f lo w s , t h e r e a r e ma n y a p p a r e n t l ys i mp l e f l o w s w h e r e t h e s h e a r r a t e o r s h e a r s t r e s s i s n o t c o n s t a n t s p a t i a l l y , f o r i n s t a n c e w i d e - g a pc o n c e n t r i c c y l i n d e r s a n d p a r a l l e l p l a t e s . T h e s e g e o me t r i e s a r e o f t e n u s e d i n t h e r h e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s a ti o n o f th i x o t r o p i c l iq u i d s, a n d u n w i t t i n g l y m a n y w o r k e r s a r e u n a w a r e o f th ec o mp l i c a t i o n s .

6. Engineering consequences of thixotropy6 1 F lo w in m ix e r s

E d w a r d s e t a l. [ 4 0] f o u n d t h a t t h e b e h a v i o u r o f a r a n g e o f t h i x o t r o p i c m a t e r i a l s i n a se r ie s o fm i x e r s w a s q u i te e a s y t o c h a r a c t e r is e i f o n e a s s u m e d t h a t t h e m i x e r b e h a v e d i n t h e s a m e w a y a sa v i s c o m e t e r r u n n i n g a t t h e s a m e s h e a r r a te a s t h e a v e r a g e s h e a r r a t e i n t h e m i x e r . T h e y u s e da n a v e r a g e s h e a r r a t e f o r t h e f l o w in a c y l i n d r i c a l v e s se l w i t h a n c h o r , h e l i ca l r i b b o n a n d h e l i c als c r e w i mp e l l e r s , g i v e n b y t h e i mp e l l e r r o t a t i o n a l s p e e d N ( r e v s - l ) t i me s a c o n s t a n t d e p e n d i n go n t h e i m p e l l e r g e o m e t r y , k , w h e r e v a l u e s o f k r a n g e d f r o m a b o u t 1 2 f o r t h e h e l ic a l s c r ew s ,a r o u n d 2 0 f o r t h e a n c h o r t o 3 0 f o r t h e h e l i c a l r i b b o n . T h e y c o m p a r e d t h e t o r q u e p r o d u c e d i nt h e m i x e r w i t h t h e s i gn a l f r o m a v i s c o m e t e r r u n n i n g a t t h e s a m e s h e a r r a t e , b o t h o f w h i c h c o u l dh a l v e o v e r t h e c o u r s e o f t h e e x p e r im e n t . F o r s a l a d c re a m , t o m a t o k e t c h u p , y o g h u r t , p a i n t a n d3 a n d 4 % a q u e o u s L a p o n i t e d i s p e rs i o ns , t h e y f o u n d t h a t t h e a v e r a g e v is c o si ty m e a s u r e d a s af u n c t i o n o f t i m e i n t h e m i x e r a t a g i v e n i m p e l l e r s p e e d c o m p a r e d w e l l w i t h t h a t f r o m av i s c o m e t e r r u n n i n g a t t h e s a m e s h e a r r a te . F o r t h e s a l ad c r e a m , t o m a t o k e t c h u p , y o g h u r t a n dp a i n t , t h e v i s c o s i t i e s a g r e e d t o w i t h i n 1 0 %. T h e p r e d i c t e d v a l u e s f o r 3 a n d 4 % L a p o n i t e a g r e e dr e a s o n a b l y w e l l f o r t h e a n c h o r a n d h e l ic a l r i b b o n , b u t w e r e b e t w e e n 2 0 a n d 4 0 % t o o l o w f o r t h eh e l i c a l s c r e w s . T h i s l a t t e r f a c t w a s p r o b a b l y d u e t o t h e v e r y n o n - N e w t o n i a n a n d t h i x o t r o p i cn a t u r e o f t h e L a p o n i t e d i s p e r s i o n s .6 2 F lo w in p ip e s

Wh e n a t h i x o t r o p i c l i q u i d e n t e r s a l o n g p i p e f r o m a l a r g e v e s s e l w h e r e i t h a s b e e n a l l o w e d t or e s t , t h e d e v e l o p me n t o f t h e v e l o c i t y a n d p r e s s u r e f i e l d s i n t h e p i p e i s v e r y c o mp l i c a t e d . T h el a r g e p r e s s u r e i n v o l v e d i n th e s t a r t - u p o f fl o w o f a t h i x o t r o p i c l i q u i d c a n c a u s e s i g n if i c a n tp r o b l e m s i n te r m s o f t h e n e c e s sa r y p u m p p e r f o r m a n c e . O f t e n c a v i t a ti o n c a n b e c a u s e d b e c a u s e ,a l t h o u g h a p u m p c o u l d c o p e w i t h s h e a r e d m a t e r i a l , i t m i g h t b e u n a b l e t o i n i t i a t e f l o w o fm a t e r i a l t h a t h a s b e e n a t r e s t f o r s o m e t i m e . C a v i t a t i o n i n t h e l i q u i d w i t h i n t h e p u m p c a n t h e nensue .O n c e f l o w h a s s t a r t e d , t h e l i q u i d n e a r t h e p i p e w a l l i s s u b j e c t e d t o t h e h i g h e s t s h e a r r a t e b u tt h e l o w e s t v e l o c i t y , h e n c e i t i s s u b j e c t e d t o t h e s h e a r f o r l o n g e r t h a n t h e f l u i d f l o w i n g a t t h emi d d l e o f t h e p i p e . T h i s r e s u l t s i n a v e r y f a s t a n d p r o l o n g e d b r e a k d o w n n e a r t h e w a l l , g i v i n g al o w v i s c o s i ty l a y e r t h a t e f f e ct i v el y l u b r i c a t e s t h e i n n e r , m o r e - v i s c o u s l a y e rs . I f t h e p i p e is l o n ge n o u g h , t h e f l o w p r o f i l e w i l l e v o l v e s u c h t h a t e v e n t u a l l y t h e s t e a d y s t a t e p r o f i l e i s e s t a b l i s h e d .H o w e v e r , f o r s h o r t p i p e s , c h a r a c t e r i s i n g t h e f l o w c a n b e q u i t e c o m p l i c a t e d , w i t h a n o n - l i n e a r


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H.A . Barnes J . Non-Newtonian Fluid Me ch. 70 1997) 1-33 17p ressu re p ro f i l e d o w n th e p ip e b e in g a d i s t in c t p o ss ib i l i t y . D i s t in g u i sh in g th ix o t ro p y f ro m ad ev e lo p in g s lip l ay e r cau sed b y p a r t i c l e d ep le t io n can b e v e ry d i f fi cu lt ( see B arn es [41 ]) .S i m p l e a p p r o a c h e s h a v e b e e n m a d e t o a n a l y z e t h i s p r o b l e m m a t h e m a t i c a l l y , s e e G o d f r e y ' ss u m m a r y [ 4 ], b u t t h e o n e s w o r t h m e n t i o n i n g a re d u e t o K e m b l o w s k i a n d P e t e r a [ 4 2 ] a n d C h e n ga n d c o - w o r k e r s [ 4 3 ] . T h e k i n d s o f i m p o r t a n t s i tu a t io n s a n a l y z e d i n c l u d e s ta r t - u p o f f u ll ys t ru c tu red th ix o t ro p ic f lu id s an d th en s t ead y -s t a t e flo w , in b o th cases w i th e i th e r a co n s tan t f lo wra te o r a g iv en p ressu re d ro p . T h e an a ly s i s w as co m p lex an d r eq u i red ex ten s iv e n u m er ica lc o m p u t a t i o n .

7. Examples of systems and studies from the l i teratureT h e r e i s a v e r y l a r g e n u m b e r o f s y s t e m s t h a t h a v e b e e n f o u n d t o b e t h i x o t r o p i c ; p r e v i o u srev iew s h av e l i s ted m a n y e x am p les ( see B au er a n d C o l l in s [1 ], M ew is [2 ] , C h en g [3 ], an d G o d f re y

[4] ). H e re a se t o f la rg e ly n ew e x am p les a re g iv en , w i th sp ec ia l em p h as i s o n h i th e r to u n rep o r t e de a s t e r n E u r o p e a n a n d o r i e n t a l st u di e s. I n o r d e r t o s a v e s pa c e , a l a r ge n u m b e r o f e x a m p l e s a rep resen ted in t ab u la r fo rm in T ab les 1 an d 2 T ab le 3 T ab le 4 T ab le 5 T ab le 6 T ab le 7 T ab le 8T a b l e 9 T a b l e 1 0, g r o u p e d a p p r o p r i a te l y , w i t h e a c h p a p e r s u m m a r i s e d in o n e p h a s e . R e f e r e n c ec a n b e m a d e t o t h e m a t t h e r e a d e r ' s c o n v e n i e n c e . T h e n f o l lo w s a m o r e d e t a i l e d d is c u s s i on o fso m e recen t ex am p les .7.1. Thixo tropic paints, inks and coatings see Table 1)

Wh en co a t in g s a re ap p l i ed to v e r t i ca l o r i n c l in ed su r faces , t h e t im e t ak en fo r r eb u i ld in g too c c u r c a n c a u s e t h e m a t e r i a l t o d r a i n. T h i s is o b v i o u s ly u n d e s i ra b l e . T h e t h i x o t r o p i c b r e a k d o w no f p a in t s is i m p o r t a n t w h e n s u c h p a i n t s a r e b e i n g p u t o n t o t h e b r u s h o r b r u s h e d o u t . T h ed e s i ra b l e p r o p e rt i e s o f n o n - d r i p m i g h t a p p e a r q u i t e q u ic k l y , b u t t h e p a i n t h a s t o b e w o r k e d t om a k e i t t h i n e n o u g h t o a p p l y e v e n l y .7 .2 . Th ixo trop ic detergen t sys tem s see Tab le 2 )

T h i x o t r o p y i n c o m m e r c i a l d e t e r g e n t l i q u i d s c a n g i v e r i s e t o p r o b l e m s w h e n t h e y h a v e t o b ep o u r e d f r o m c o n t a i n e r s o r p o u r e d i n t o m a c h i n e s . T h e n d i s p e r s i o n c a n b e a p r o b l e m . I fr eb u i ld in g i s v e ry s lo w , p h y s ica l i n s t ab i l i t y can r esu l t d u e to sed im en ta t io n o r c ream in g .7.3. Thixotropic clay suspensions see Table 3)

C l a y s a r e p r o b a b l y t h e b e s t k n o w n e x a m p l e s o f th i x o t r o p y , b e c a u s e o f th e e x t r e m e c h a n g e sb r o u g h t a b o u t u n d e r s h e a r . A c l a y su s p e n s i o n c a n b e s h a k e n i n a b o t t le , a n d t h e s o u n dg e n e r a t e d i s a l m o s t w a t e r - l i k e , b u t o n s t a n d i n g t h e c l a y c a n b e c o m e c o m p l e t e l y g e l l e d a n dm an i fes t s a r in g in g so u n d i f t ap p ed in a g l ass co n ta in e r . C lay s su ch as th e n a tu ra l B en to n i t e sa n d t h e m a n u f a c t u r e d a n d m o d i f i e d L a p o n i t e s , b e c a u s e o f th e e x t e n si v e n a t u r e o f t h e v e ry t h i nsh ee t s f ro m w h ich th ey a re m ad e u p , g iv e a v e ry g o o d th i ck en in g e f fec t a t r e l a t iv e ly lo wc o n c e n t r a t i o n s , w i t h o u t g i v i ng u n w a n t e d v i sc o e la s ti c e f fe c ts f o u n d w i t h s o m e k i n d s o f p o l y m e r i c


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18Table 1Paints, inks and coatings

H.A. Bar nes/J. Non-Newtonian Fluid Mech. 70 1997) 1-33

Author(s) Ref. DetailsOverdiepKuw ano e t a l .I izuka and Na-g an u m aCorneliusGalliKu t ikKerlePilaPapo and SturziParmentierDubyaga et al .AlessandriniW a l to nCraw ordStaus and EdserBerryIizuka and Na-g an u m aKobs and V oigtTsuritaniToussaint

[44] Effect of thixotropy on f ilm forma tion[45] Thixotrop y in automo bile paints[46] Review of thixotropes for paints[47] Thixo tropy in urethane modif ied alkyd resins[48] Fum ed and precipitated si l ica, and clays as thixotropes for plastic coatings[49 ] Am orph ous silica gel as thixotropes[50 ] Th ixot ropy in polyester-based thixotro pic resins[51 ] Thixotropes for vinyl resin thick layer systems[52 ] Bentone as a thixotro pe for oxidised bitum en protective coatings[53] Hydrogenated casto r o il as th ixo t rope fo r wood t rea tment coa t ing[54] Effect of thixotropy on f ilm properties o f polyether polyurethanes[55] M ontmo ril lonite thixoptrope in oxidised bitumen paint[56] Production of thixotropic paints[57] Review of advantages of thixotropy for al l coatings[58 ] Thixotropic vinyl-base

trix otro pia

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