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، ولكن 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 النطاق بين 0.01 -0.1 ث-1 وأقل من إجهاده الحرج، يتعرض النظام إلى تصلب العمل. وهذه خاصية 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) 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. وغالبًا ما يتم استخدام منحدر إجهاد القص لأنه وسيلة سهلة وسريعة لتحديد إجهاد الخضوع، ومع ذلك، فإن الطريقة الأكثر دقة هي إجراء سلسلة من اختبارات الزحف والبحث عن التغيرات في تدرج منحنى الامتثال مقابل الزمن [1].
اعتمادًا على طبيعة المادة التي يتم اختبارها، يمكن أن تكون استجابة الزحف مختلفة تمامًا كما هو موضح في الشكل 1.
نظرًا لأن التغير الفعلي للإجهاد سيعتمد على الإجهاد المطبق، فمن المعتاد التحدث عن الامتثال بدلًا من الإجهاد. يمكن تحديد امتثال القص الزاحف (J) من إجهاد القص المضبوط مسبقًا (σ) والتشوه الناتج (γ) من خلال
وباستخدام هذا المفهوم، يمكن مقارنة منحنيات الزحف المتولدة باستخدام ضغوط مختلفة مباشرةً. تتداخل جميع منحنيات J(t) مع بعضها البعض بشكل مستقل عن الإجهاد المطبق طالما كان الإجهاد داخل منطقة اللزوجة المرنة الخطية. عندما لا يتم استيفاء هذا المعيار، تعتبر المادة قد استسلمت. ويتضح ذلك في الشكل 2 الذي يمكن من خلاله استنتاج أن إجهاد الخضوع للعينة قيد الاختبار يتراوح بين 3 و4 باسكال حيث أنه عند 4 باسكال لا يتبع المنحنى نفس المظهر الجانبي. تعرض هذه المذكرة التطبيقية المنهجية والبيانات من اختبار الزحف المتعدد لمستحضر مرطب.
تجريبي
- تم استخدام مستحضر ترطيب تجاري كعينة قيد التقييم.
- 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 العينة لبروتوكول تحميل متسق ويمكن التحكم فيه.
- تم إجراء سلسلة من اختبارات الزحف عند سبعة ضغوط تطبيقية مختلفة تتراوح بين 30 باسكال و66 باسكال.
- تم إيقاف كل اختبار زحف بعد وقت محدد (120 ثانية)، وتم إجراء اختبار استرداد لوقت متساوٍ بين اختبارات الزحف.
- أُجريت جميع القياسات الانسيابية عند درجة حرارة 25 درجة مئوية ما لم يُذكر ذلك تحديدًا.
النتائج والمناقشة
يقارن الشكل 3 الامتثال الزاحف (J) مع الزمن عند جميع الضغوط السبعة. تحت ضغط 42 باسكال، تكون منحنيات الامتثال متراكبة ولا يبدو أن هناك زيادة في الامتثال مع مرور الوقت، مما يشير إلى عدم حدوث تدفق تحت هذا الضغط، أي أن المادة تتصرف كمادة صلبة لزجة مرنة.
عند 48 باسكال، هناك تغير ملحوظ في التدرج يشير إلى سلوك يعتمد على الزمن وبالتالي التدفق اللزج. ربما يظهر هذا الأمر بوضوح أكبر في الشكل 4، والذي يوضح الامتثال النهائي عند كل ضغط بعد اختبار الزحف لمدة 120 ثانية. يمكن الاستدلال من الرسم البياني الأخير أن منتج المستحلب له إجهاد خضوع يتراوح بين 42 و48 باسكال.
وللتوصل إلى تقدير أكثر دقة لإجهاد الخضوع، سيكون من الضروري تكرار الاختبار مع زيادات تدريجية صغيرة في الإجهاد بين هاتين القيمتين وتقييمه بطريقة مماثلة.
الخاتمة
بالنسبة لغسول الترطيب الذي تم اختباره، فإن أقصى إجهاد حيث يكون الامتثال داخل منطقة اللزوجة المرنة الخطية هو 42 باسكال، بينما عند 48 باسكال يتم تجاوز إجهاد الخضوع. وبالتالي فإن قيمة إجهاد الخضوع تتراوح بين 42 باسكال و48 باسكال. للحصول على قيمة أكثر دقة لإجهاد الخضوع لهذه المادة، يلزم إجراء المزيد من التكرارات الاختبارية داخل نطاق الإجهاد الضيق هذا. يعد اختبار الزحف المتعدد لاشتقاق إجهاد الخضوع طريقة دقيقة، ولكن يمكن أن تتطلب تكرارات متعددة وتفسير المستخدم الصحيح.
يرجى ملاحظة ...
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 التشوهات المتعلقة بالانزلاق على سطح الهندسة.