مقدمة
تُستخدم قياسات التذبذب، التي يمكن إجراؤها باستخدام مقياس الانسيابية الدورانية Kinexus، لتوصيف خصائص اللزوجة المرنة للمواد، على سبيل المثال، المواد الصلبة اللينة مثل المواد الهلامية أو المعاجين، أو السوائل المعقدة مثل البوليمرات أو المستحلبات أو المعلقات. في هذه التجارب، يتم تطبيق تشوّه جيبي للقص (متحكم في الانفعال) أو إجهاد القص (متحكم في الإجهاد)، ويتم تحليل استجابة المادة بعد ذلك.
المعلمات الرئيسية التي تم الحصول عليها هي:
- معامل القص التخزين (G')، الذي يعطي معلومات حول سلوك المادة "الشبيه بالمادة الصلبة".
- معامل القص المفقود (G')، المتعلق بالسلوك "الشبيه بالسائل" للمادة.
- زاوية الطور (δ): تشير هذه المعلمة إلى الفارق الزمني بين الإجهاد والإجهاد المطبق، مما يسهل تحديد سلوك المادة إما كسلوك مادة صلبة (δ ≈ 0°) أو سلوك سائل (δ ≈ 90°).
مسح السعة: تحديد منطقة اللزوجة المرنة الخطية (LVER)منطقة اللزوجة المرنة)
يتم إجراء القياسات التذبذبية بشكل عام داخل منطقة اللزوجة الخطية المرنة (LVER)، حيث تظل بنية المادة غير متأثرة بالتشوه المطبق. يتم تحديد منطقة اللزوجة المرنة الخطية عن طريق مسح السعة. يحدد هذا الاختبار السعة القصوى للتشوه الذي يمكن استخدامه دون أن يؤدي إلى انهيار بنية المادة لتردد ودرجة حرارة محددين.
ضمن LVER، تكون ترددات تذبذب المدخلات والمخرجات متماثلة (انظر الشكل 1).
وعلى النقيض من ذلك، خارج نطاق LVER، يؤدي الإثارة بموجة قص جيبية إلى استجابة غير جيبية (الشكل 2). يتفكك تذبذب المدخلات (على سبيل المثال، بتردد أساسي 1 هرتز) إلى تذبذبات بترددات توافقية مختلفة؛ انظر الشكل 3.
يُعرَّف التشوه التوافقي على النحو التالي:
I1: سعة تردد الدخل
في: سعة المكون التوافقي النوني للاستجابة التذبذبية
التشوه التوافقي بنسبة 0% يعني خطية مثالية للإشارة. يمكن عرض هذه المعلمة في برنامج Kinexus للقياس والتقييم، rSpace ، للتحقق من صحة بيانات التذبذب.
الحد الأدنى من التشوه التوافقي (HD) = أفضل نسبة إشارة إلى ضوضاء
يوضِّح الشكل 4 مثالاً على ذلك: منحنيات معامل القص المرن (G'، باللون الأحمر)، ومعامل القص اللزج (G'، باللون الأزرق)، وسعة إجهاد القص (σ، باللون الأخضر)، والتشوُّه التوافقي (HD، باللون الأسود) أثناء مسح السعة. يتوافق إجهاد القص، γ، الذي تم اكتشافه عند الحد الأدنى من HD مع التشوّه لنسبة الإشارة إلى الضوضاء المثلى. يمكن استخدام هذه القيمة للقياسات التذبذبية التالية (مسح التردد، مسح درجة الحرارة، إلخ).
التشوه التوافقي للتحقق من الخطية أثناء ارتفاع درجة الحرارة أو التردد
تعتمد منطقة المرونة اللزوجة الخطية (LVER) على ظروف القياس مثل التردد ودرجة الحرارة. في عملية مسح السعة، يتم الاحتفاظ بهذه المعلمات ثابتة لتحديد الإجهاد المناسب داخل منطقة اللزوجة المرنة الخطية. ومع ذلك، أثناء عملية مسح التردد، يختلف التردد طوال فترة الاختبار، وقد يتغير LVER وفقًا لذلك. للتأكد من بقاء المادة داخل LVER على مدى التردد بأكمله، يمكن مراقبة إشارة التشوه التوافقي كمؤشر للسلوك الخطي.
الخاتمة
يعد التشوه التوافقي إشارة مهمة للتحقق من إجراء قياسات التذبذبات في منطقة اللزوجة المرنة الخطية. يتعلق الأمر بمجال البوليمر وكذلك مجال الأغذية والأدوية:
- اللدائن الحرارية: يعد تحديد LVER أمرًا بالغ الأهمية لالتقاط خواص المواد الجوهرية فقط أثناء عمليات مسح التردد أو درجة الحرارة للبوليمرات واللدائن. إذا أُخذت القياسات خارج نطاق LVER، فقد تحدث تغيرات هيكلية إضافية مثل اتجاه السلسلة أو فك التشابك أو حتى تلف شبكة البوليمر. قد يؤدي ذلك إلى تشويه بيانات القياس ويجعل تقييم دراسات المعالجة أو التقادم غير موثوق به.
- المواد الحرارية والطلاءات والمواد اللاصقة: غالبًا ما تحتوي هذه الأنظمة على شبكات حساسة من البوليمرات أو مواد الحشو التي يمكن أن تتلف تحت الضغط المفرط. إذا لم يتم أخذ LVER في الاعتبار، تظهر المواد إما لينة جدًا أو صلبة جدًا، مما قد يؤدي إلى قرارات غير صحيحة في التطبيق وتصميم العملية (على سبيل المثال، نوافذ لزوجة غير صحيحة للتطبيق أو تنبؤات غير دقيقة للالتصاق).
- الأغذية (مثل المواد الهلامية والمستحلبات والدهون القابلة للدهن): هنا، من المهم بشكل خاص عدم تدمير البنية المجهرية الهشة (على سبيل المثال، شبكات المستحلبات، والمواد الهلامية البروتينية، وبلورات الدهون) عن طريق القص المفرط. يمكن للقياسات خارج نطاق LVER، على سبيل المثال، أن تؤدي إلى تفتيت الهلام أو إعادة ترتيب بلورات الدهون، مما يجعل القوام يبدو "اصطناعيًا" أكثر ليونة مما هو عليه في الواقع. قد يكون لهذا الأمر عواقب مباشرة على تطوير المنتج ومراقبة الجودة، حيث سيتم تقييم الثبات أو ملمس الفم أو قابلية الانتشار بشكل غير صحيح.
- التركيبات الصيدلانية (مثل الكريمات والمعاجين والمعلقات): هنا أيضًا، تعتبر السلامة الهيكلية أمرًا أساسيًا، خاصةً عند تقييم ثبات التخزين أو إطلاق المكونات النشطة. إذا أُخذت القياسات خارج LVER، يمكن أن يؤدي القص إلى تغيير بنية الجسيمات أو الناقل، مما يؤدي إلى سوء تقدير لخصائص التدفق والتطبيق. وفي أسوأ الحالات، قد يكون لذلك تأثير على الفعالية أو سلامة المريض.
يضمن عامل التشويه إجراء فحوصات الانسيابية في نطاق تظل فيه بنية المادة سليمة. وهذا يمنع القياس نفسه من تشويه النتيجة - وهو شرط أساسي للحصول على بيانات موثوقة وقابلة للمقارنة وذات صلة بالممارسة.