تحديد إجهاد المردود للسوائل المعقدة عن طريق اختبار نمو الإجهاد على مقياس الانسيابية الدورانية - غسول الجسم

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. وعادةً ما يكون الطور المستمر منخفض اللزوجة، ومع ذلك، يمكن أن تؤدي الأجزاء الكبيرة الحجم من الطور المشتت إلى زيادة اللزوجة بمقدار ألف مرة وتحفيز سلوك شبيه بالمادة الصلبة في حالة السكون.

عندما يتم قص مائع معقّد يُظهر سلوك الخضوع عند معدلات قص منخفضة، في نطاق يتراوح بين 0.01 - 0.1 ^ث-1 وأقل من إجهاده الحرج، يتعرض النظام إلى تصلب العمل. وهذه سمة مميزة للسلوك الشبيه بالسلوك الصلب وينتج عن تمدد العناصر المرنة في مجال القص. عندما تقترب هذه العناصر المرنة من إجهادها الحرج، تبدأ البنية في الانهيار مسببة ترقق القص (تليين الإجهاد) والتدفق اللاحق. ويتزامن ذلك مع قيمة قص قص قصية في إجهاد القص، والتي تساوي إجهاد الخضوع. وهذا موضح في الشكل 1.

يُعرَّف إجهاد الخضوع بأنه الإجهاد الذي يجب تطبيقه على العينة قبل أن تبدأ في التدفق.

وعادةً ما يتم استخدام معدل قص منخفض في هذه الاختبارات لمراعاة خصائص الاسترخاء الزمني للمادة على الرغم من إمكانية استخدام معدلات قص مختلفة اعتمادًا على التطبيق محل الاهتمام. تحدث العمليات السريعة مثل الاستغناء على نطاقات زمنية قصيرة والتي تتوافق مع معدلات القص الأعلى بينما يحدث الثبات للترسيب/التدقيق على مدى فترات زمنية أطول ويتم تقييمها بشكل أفضل عند معدلات القص المنخفضة. ونظرًا لأن إجهاد الخضوع هو بشكل عام خاصية تعتمد على الزمن، فإن القيم المقاسة يمكن أن تكون مختلفة. ومع ذلك، يشيع استخدام معدل قص يبلغ 0.01 ^ث-1 في مثل هذا الاختبار، وقد وُجد أنه يعطي اتفاقًا جيدًا مع طرق إجهاد الخضوع الأخرى مثل اختبار الزحف [1].

تعرض هذه المذكرة التطبيقية المنهجية والبيانات من اختبار نمو الإجهاد لمحلول الجسم.

تجريبي

• تم اختيار منتج غسول الجسم التجاري للتحليل.
• أُجريت قياسات مقياس الانسيابية الدورانية باستخدام مقياس الانسيابية Kinexus مع خرطوشة صفيحة بلتيير ونظام قياس الألواح المتوازية الخشن 40 مم (لتجنب انزلاق العينة على أسطح الهندسة⁾،^2، وباستخدام التسلسلات القياسية المهيأة مسبقًا في برنامج rSpace.
• تم ضبط موضع القص لهندسة الألواح المتوازية على 100% في برنامج rSpace (باستخدام قاعدة بيانات الهندسة) وذلك لقياس الضغط عند بداية الخضوع.
• تم استخدام تسلسل تحميل قياسي لضمان خضوع العينة لبروتوكول تحميل متسق ويمكن التحكم فيه.
• تم إجراء اختبار معدل قص واحد بمعدل قص 0.01 ^ث-1، وتم قياس تطور الإجهاد كدالة للزمن.
• تم تحليل البيانات باستخدام تحليل الذروة لتحديد إجهاد الخضوع.
• أُجريت جميع قياسات الريولوجيا عند درجة حرارة 25 درجة مئوية.

النتائج والمناقشة

يوضح الشكل 2 منحنى الإجهاد مقابل الزمن لعينة غسول الجسم. يتراكم الإجهاد في الأصل مع زيادة الإجهاد ويصل إلى قيمة قصوى عند الإجهاد الحرج، وهو ما يساوي إجهاد الخضوع.

الجدول 1: نتائج تحليل الذروة من منحنى تطور الإجهاد لعينة غسول الجسم

يتم تحديد قيمة الذروة هذه تلقائيًا من تحليل الذروة ويتم الإبلاغ عنها في برنامج rSpace في شكل جدول كما هو موضح في الجدول 1. تبلغ قيمة إجهاد الخضوع المُبلغ عنها لمحلول الجسم هذا 75.4 باسكال وقد وُجد أن هذا يحدث عند إجهاد يبلغ 0.5 (50%) تقريبًا.

كما ذُكر في المقدمة، بالنسبة لبعض المواد، يمكن أن يعتمد إجهاد الخضوع المقاس على معدل القص، خاصةً عندما يحدث استرخاء هيكلي كبير مع مرور الوقت. في هذه الحالات، سيُلاحظ ارتفاع إجهاد الخضوع لمعدلات القص الأعلى نظرًا لوجود وقت أقل لاسترخاء البنية.

على سبيل المثال، أعطى نفس اختبار نمو الإجهاد الذي تم إجراؤه على نفس غسول الجسم بمعدل قص 0.1 ^ث-1 بدلًا من 0.01 ^ث-1 إجهاد خضوع قدره 82 باسكال.

الخاتمة

نمو الإجهاد هو اختبار سريع ودقيق لتحديد إجهاد الخضوع للمادة. ومع ذلك، من المهم استخدام معدل قص ثابت للاختبار المقارن نظرًا لأن معدلات القص المختلفة قد تعطي نتائج مختلفة اعتمادًا على سلوك استرخاء المادة التي يتم اختبارها.

يرجى ملاحظة ...

أن الاختبار يمكن إجراؤه باستخدام هندسة مخروطية وصفيحة أو هندسة الصفيحة المتوازية - مع تفضيل الأخيرة للمشتتات والمستحلبات ذات أحجام الجسيمات الكبيرة. قد تتطلب هذه الأنواع من المواد أيضًا استخدام هندسة مسننة أو خشنة لتجنب حدوث خلل في الهندسة المتعلقة بالانزلاق على سطح الهندسة.