مقدمة
يحدد قياس اللزوجة لزوجة القص للمادة. في هذا النوع من الاختبار، توضع العينة بين لوحين. تدور اللوحة العلوية بمعدل قص محدد (أو إجهاد القص)، انظر الشكل 1. يتم تحديد معدل القص باستخدام السرعة الزاوية V، للصفيحة العلوية وكذلك المسافة h، بين اللوحين. يتم حساب إجهاد القص المطلوب لاستحثاث معدل القص هذا باستخدام عزم الدوران المطبق، F.
يمكن إجراء مثل هذا القياس كمعدل قص يتم التحكم فيه، كما هو موضح أعلاه، أو كإجهاد قص يتم التحكم فيه.
في هذه الحالة، يتم تطبيق إجهاد القص وتحديد معدل القص.
بغض النظر عن وضع التحكم، يمكن تحديد لزوجة القص باستخدام المعادلة التالية:
نطاق معدل القص لمثل هذا القياس محدود. إذا تجاوزت قوة الطرد المركزي (التي تميل إلى تحريك المادة إلى الخارج) القوة العمودية (التي تدفع الهندسة العلوية إلى أعلى)، فقد يتم إخراج العينة خارج فجوة القياس. في هذه الحالة، يجب تقييم منحنى اللزوجة الناتج بعناية فائقة. ويعد منحنى إجهاد القص أحد المؤشرات التي توضح صلاحيته. نظرًا لأنه يجب أن يزداد دائمًا مع زيادة معدلات القص، فإن انخفاض إجهاد القص يشير إلى حد نطاق القياس.
يصور الشكل 2 مثالاً على هذا السلوك. هنا، تم قياس ذوبان البوليمر (PEEK) في دوران بين 0.1 و100 ث-1. يشير انخفاض إجهاد القص من 50 ث-1 إلى قذف العينة (المعروف أيضًا باسم كسر العينة) لأن إجهاد القص يبدأ في الانخفاض عند هذه النقطة. لذلك، فإن قيم اللزوجة فوق معدل القص هذا غير صالحة وممثلة للعينة.
كيفية الحصول على لزوجة القص عند معدلات قص أعلى؟
من الطرق السهلة للحصول على نتائج عند معدلات قص أعلى من 50 ث-1 (في مقياس الانسيابية الدورانية) استخدام قاعدة كوكس-ميرز. وتنص هذه العلاقة التجريبية على أنه بالنسبة لمعظم ذوبان البوليمر غير المملوء، يمكن التنبؤ بلزوجة القص η بواسطة اللزوجة المعقدة η*. يمكن تحقيق حل بديل لقياس سلوك التدفق في ظروف المعالجة الأسرع أو معدلات القص الأعلى باستخدام مقياس الانسيابية الشعرية عالية الضغط.
ما هي اللزوجة المعقدة؟
يتم الحصول على اللزوجة المعقدة عن طريق قياس التذبذب. في هذا الاختبار، لا تدور الهندسة العلوية بل تتأرجح بتردد محدد (الشكل 3).
ويحدد الفرق (التأخر/الطور δ) في الإشارة الجيبية المدخلة والمخرجة الخصائص المادية للعينة (الشكل 4). وتُجرى هذه القياسات لسعات صغيرة بما يكفي لعدم تدمير بنية العينة، بحيث يكون الإجهاد المطبق والإجهاد الناتج متناسبين ويكون تردد الاستجابة مساوياً لتردد الدخل.
من خلال هذا النوع من الاختبار، يتم قياس خصائص اللزوجة المرنة للمادة، على سبيل المثال، صلابتها1 التي يتم تحديدها من خلال ما يسمى بالمعامل المركب، G*. اللزوجة المعقدة، η*، هي:
اللزوجة المركبة ولزوجة القص: قاعدة كوكس-ميرز
يمكن تلخيص قاعدة كوكس-ميرز بالعلاقة التالية:
وبعبارة أخرى، هذا يعني أن نتيجة لزوجة القص كدالة لمعدل القص (التي يتم الحصول عليها بالتناوب) تعادل نتيجة اللزوجة المعقدة كدالة للتردد الزاوي (التي يتم الحصول عليها بالتذبذب). ولذلك، من الممكن الحصول على لزوجة القص لمعدلات قص أعلى من الحد الأقصى للقياس الدوراني، والذي كان 50 ث-1 للمثال المقدم في هذه المقالة.
يوضح الشكل 5 نتائج قياسات كل من الدوران والتذبذب لعينة نظرة خاطفة PEEK مرسومة كدالة لمعدل القص والتردد الزاوي على نفس المقياس. ومن الشائع أن يتم عرض هذه المنحنيات كدالة لمعدل القص فقط مع ملاحظة لقاعدة كوكس-ميرز. تشير النتائج المعروضة في الشكل 5 إلى أنه في نطاق معدل القص المنخفض، تكون اللزوجة المعقدة ولزوجة القص متفقة بشكل جيد. عند معدلات القص الأعلى، يتم الحصول على قيمة أكثر دقة لزوجة القص باستخدام قاعدة كوكس-ميرز على اللزوجة المعقدة (الخط البرتقالي). ويُعزى الانخفاض الأكثر وضوحًا في لزوجة القص (الخط الأزرق) إلى انكسار العينة، كما هو موضح أعلاه.
الخاتمة
يوضح المثال المعروض اتفاقًا جيدًا بين لزوجة القص واللزوجة المعقدة في نطاق معدل القص المنخفض. وبمجرد أن تبدأ المادة في التدفق خارج الفجوة أثناء الدوران، لا يمكن تحديد اللزوجة بهذا النوع من القياس. ومع ذلك، تتيح قاعدة كوكس-ميرز تحديد قيم لزوجة القص باستخدام قياس التذبذب.