مقدمة
لا تتدفق العديد من السوائل المعقدة، مثل البوليمرات المكونة للشبكات، والمواد المتوسطة الخافضة للتوتر السطحي والمستحلبات المركزة حتى يتجاوز الإجهاد المطبق قيمة حرجة معينة، تُعرف باسم إجهاد الخضوع. ويُقال إن المواد التي تظهر هذا السلوك تُظهر سلوك التدفق الخضوعي. ولذلك يُعرَّف إجهاد الخضوع بأنه الإجهاد الذي يجب تطبيقه على العينة قبل أن تبدأ في التدفق. تحت إجهاد الخضوع تتشوه العينة بشكل مرن (مثل تمدد الزنبرك)، وفوق إجهاد الخضوع تتدفق العينة مثل السائل.
يمكن اعتبار معظم السوائل ذات إجهاد الخضوع بمثابة هيكل هيكلي يمتد على كامل حجم النظام. وتخضع قوة الهيكل العظمي لبنية الطور المشتت وتفاعلاته. عادةً ما يكون الطور المتصل منخفض اللزوجة، ولكن يمكن أن تؤدي الأجزاء الكبيرة الحجم من الطور المشتت إلى زيادة اللزوجة بمقدار ألف مرة وتحفز سلوكًا شبيهًا بالصلب في حالة السكون.
هناك طرق مختلفة لتحديد إجهاد الخضوع [1]، معظمها باستخدام اختبار القص الثابت، ومع ذلك، فإن إحدى أكثر الطرق حساسية هي استخدام مسح السعة التذبذبية. يتضمن هذا الاختبار تطبيق إجهاد أو إجهاد متزايد ومراقبة التغيرات في المعامل و/أو الإجهاد.
هناك طرق مختلفة لتفسير إجهاد الخضوع من مسح السعة كما هو موضح في الشكل 1. يعتبر بعض العاملين أن الانخفاض الأولي في G' مقياسًا لنقطة الخضوع نظرًا لأن هذا يمثل بداية اللاخطية والانهيار الهيكلي، بينما يعتبر آخرون أن تقاطع G'/G" G" هو نقطة الخضوع نظرًا لأن هذا يمثل الانتقال من السلوك الصلب إلى السلوك الشبيه بالسائل. وغالبًا ما يشار إلى المنطقة الواقعة بين هذين الحدثين باسم منطقة الخضوع.
يُعرف إجهاد الخضوع بأنه الإجهاد الذي يجب تطبيقه على العينة قبل أن تبدأ في التدفق.
تتضمن الطريقة الأحدث قياس مكون الإجهاد المرن، σ'' (المرتبط بالبنية المرنة من خلال G') كدالة لسعة الانفعال. يؤخذ إجهاد الخضوع على أنه إجهاد الذروة، والإجهاد عند هذه النقطة هو إجهاد الخضوع (انظر الشكل 2). بشكل عام، تتناسب هذه القيمة بشكل عام في مكان ما داخل منطقة الخضوع وقد ثبت أنها تعطي قياسًا أكثر موثوقية لإجهاد الخضوع الذي يرتبط بشكل جيد مع الطرق الأخرى.
يمكن أن يؤثر تردد الاختبار في بعض الأحيان على إجهاد الخضوع المقاس اعتمادًا على سلوك الاسترخاء للمادة قيد الاختبار. ستعطي الترددات المنخفضة مؤشرًا أفضل لخصائص المادة في حالة السكون ولكنها ستزيد من وقت الاختبار بشكل كبير. وبالتالي، عادةً ما يتم استخدام قيم تتراوح بين 0.1 و10 هرتز.
تعرض هذه المذكرة التطبيقية المنهجية والبيانات لعدد من عينات الهلام.
تجريبي
- تم تقييم العينات الهلامية التالية - نظام بوليمر ترابطي (HASE) - خافض للتوتر السطحي، وهلام الشعر ومحلول مائي من صمغ المنان/صمغ الزانثان في الماء.
- أُجريت قياسات مقياس الانسيابية الدورانية باستخدام مقياس الانسيابية Kinexus مع خرطوشة لوحة بلتيير ونظام قياس مخروطي ولوحة2، وباستخدام تسلسلات قياسية معدة مسبقًا في برنامج rSpace.
- تم استخدام تسلسل تحميل قياسي لضمان خضوع العينات لبروتوكول تحميل متسق ويمكن التحكم فيه.
- تم إجراء مسح سعة متحكم بها عند 1 هرتز، وتم قياس بيانات المعامل والإجهاد المرن كدالة للإجهاد المطبق.
- تم تحديد إجهاد الخضوع لكل عينة من تحليل الذروة للإجهاد المرن مقابل بيانات الإجهاد المرن مقابل بيانات الانفعال.
- أُجريت جميع قياسات الريولوجيا عند درجة حرارة 25 درجة مئوية.
النتائج والمناقشة
يوضح الشكل 3 نتائج عمليات مسح سعة الإجهاد للعينات المختلفة، ويوضح الجدول 1 القيم المقابلة لإجهاد الخضوع والإجهاد كما تم تحديدها من تحليل الذروة التلقائي.
الجدول 1: قيم إجهاد الخضوع والانفعال المحددة من تحليل مخططات الإجهاد المرن
| وصف العينة | إجهاد الخضوع | إجهاد الخضوع (باسكال) |
|---|---|---|
| جل الشعر | 0.869 | 77.3 |
| صمغ الزانثان/مانان | 1.472 | 23.4 |
| خافض التوتر السطحي HASE | 0.194 | 11.1 |
كان إجهاد الخضوع في جل الشعر أعلى إجهاد خضوع بقيمة مقاسة 77 باسكال. أعطى مركب الصمغ إجهاد خضوع قدره 23 باسكال بينما كان للمكثف الترابطي أقل قيمة وهي 11 باسكال.
فيما يتعلق بإجهاد الخضوع، تم قياس أعلى قيمة لمركب الصمغ بقيمة 1.5، مما يشير إلى بنية أكثر مرونة. وأعطى هلام الشعر قيمة 0.87 والمكثف الترابطي (HASE-سطحي) قيمة 0.2 مما يشير إلى بنية أكثر هشاشة.
الخاتمة
يمكن استخدام اختبار مسح سعة التذبذب لتحديد إجهاد الخضوع وإجهاد المادة. تنطوي طريقة الاختبار المفضلة على مراقبة الإجهاد المرن σ' كدالة لسعة الإجهاد γ مع استنتاج إجهاد الخضوع ليكون قيمة الذروة المقيسة لـ σ'. تم استخدام هذا الاختبار لقياس إجهاد الخضوع والإجهاد لعدد من أنظمة الهلام المائي.
2يرجىملاحظة أنه يمكن أيضًا استخدام هندسة الصفيحة المتوازية - مع تفضيل هذه الهندسة في حالات التشتت والمستحلبات ذات أحجام الجسيمات الكبيرة. وقد تتطلب هذه الأنواع من المواد أيضًا استخدام هندسة مسننة أو خشنة لتجنب حدوث خلل في الهندسة المتعلقة بالانزلاق على سطح الهندسة.