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 إلى 0.1 ث-1 وأقل من إجهاده الحرج، يتعرض النظام إلى تصلب العمل. وهذه سمة من سمات السلوك 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) وما يترتب على ذلك من تدفق. والإجهاد الذي يحدث عنده هذا الانهيار الكارثي للهيكل الإنشائي هو إجهاد الخضوع.
هناك عدد من الاختبارات التجريبية لتحديد إجهاد الخضوع. تتمثل إحدى أسرع الطرق وأسهلها في إجراء عملية مسح إجهاد القص وتحديد الإجهاد الذي يتم عنده ملاحظة ذروة اللزوجة. قبل ذروة اللزوجة هذه، تخضع المادة لتشوه مرن. وبالتالي تمثل هذه الذروة النقطة التي ينهار عندها التركيب المرن (الاستنتاج) وتبدأ المادة في التدفق. وهذا موضح في الشكل 1.
تعرض هذه المذكرة التطبيقية المنهجية والبيانات المستمدة من اختبار زيادة الضغط لمنتجين من جل الاستحمام (غسول الجسم) بتركيبات مختلفة.
يُعرَّف إجهاد الخضوع بأنه الإجهاد الذي يجب تطبيقه على العينة قبل أن تبدأ في التدفق.
تجريبي
- تم تقييم منتجين تجاريين من هلام الاستحمام؛ أحدهما يحتوي على مادة خافضة للتوتر السطحي فقط والآخر يحتوي على مادة خافضة للتوتر السطحي ومكثف ترابطي.
- أُجريت قياسات مقياس الانسيابية الدورانية باستخدام مقياس الانسيابية Kinexus مع خرطوشة لوحة بلتيير ونظام قياس مخروطي ولوحة1، وباستخدام تسلسلات قياسية معدة مسبقًا في برنامج rSpace.
- تم استخدام تسلسل تحميل قياسي لضمان خضوع العينة لبروتوكول تحميل متسق ويمكن التحكم فيه.
- تم إجراء منحدر إجهاد القص، وتم تحليل البيانات باستخدام تحليل الذروة لتحديد إجهاد الخضوع.
- تم إجراء جميع قياسات الريولوجيا عند درجة حرارة 25 درجة مئوية.
النتائج والمناقشة
يوضح الشكل 2 اللزوجة مقابل منحنيات الإجهاد لعينتي جل الاستحمام في اختبار منحدر الإجهاد. تُظهر بيانات غسول الجسم 2 ذروة لزوجة واضحة في اختبار منحدر الإجهاد، في حين أن بيانات غسول الجسم 1 مسطحة نسبيًا. يشير هذا إلى أن غسول الجسم 2 يُظهر تصلبًا إجهاديًا مرتبطًا بإجهاد الخضوع بينما يتصرف غسول الجسم 1 كسائل بلزوجة قص صفرية. كان إجهاد الخضوع المقاس لغسول الجسم 2 4 باسكال. في بعض الحالات، قد تُظهر السوائل اللزجة المرنة ذروة طفيفة في اللزوجة على الرغم من عدم وجود إجهاد خضوع حقيقي.
في هذه الحالة، قد تكون هناك حاجة إلى تقدير المستخدم أو بدلاً من ذلك التأكيد باستخدام اختبار بديل مثل اختبار الزحف أو اختبار جدول معدل القص لتأكيد عدم وجود لزوجة قص صفرية2.
الخاتمة
تمت مقارنة منتجين من جل الاستحمام باستخدام اختبار منحدر إجهاد الخضوع على مقياس الانسيابية الدورانية. وقد تبين أن غسول الجسم 2، الذي يحتوي على مثخن ترابطي، له إجهاد إنتاجي قدره 4 باسكال، بينما لم يظهر غسول الجسم 1 أي ذروة في اللزوجة في اختبار منحدر الإجهاد، ولذلك اعتبر أنه لا يحتوي على إجهاد إنتاجي.
1يرجىملاحظة أن الاختبار يمكن إجراؤه باستخدام هندسة الصفيحة المخروطية أو الصفيحة المخروطية أو الصفيحة المتوازية - مع تفضيل الأخيرة للمشتتات والمستحلبات ذات أحجام الجسيمات الكبيرة. قد تتطلب هذه الأنواع من المواد أيضًا استخدام أشكال هندسية مسننة أو خشنة لتجنب حدوث خلل في الهندسة المتعلقة بالانزلاق على سطح الهندسة.