مقدمة
عندما تتشوه المواد اللزجة المرنة، فإنها تخضع لتشوه ثلاثي الأبعاد، والذي يمكن وصفه من خلال موتر (3 × 3) (انظر الشكل 1).
يحتوي الموتر على ثلاثة إجهادات عمودية، σxx،σy، σy، σzz. أما المشدات الستة الأخرى فهي إجهادات القص. إذا كان السلوك اللزوجة هو السائد (أي إذا كان المائع يسري)، فعندئذٍ يكون هناك مُكوِّن إجهاد قص واحد فقط ويمكن تجاهل المكونات الأخرى.
يمكن تعريف فرق الإجهاد العمودي الأول على النحو التالي:
حيث σxx هو الإجهاد المؤثر في اتجاه القص المطبق و σyyy هو الإجهاد المؤثر في اتجاه القوة العمودية. في التجربة الريولوجية، يكون الدفع لأعلى على الهندسة والمحمل هو القوة العمودية (التي تكون في الاتجاه المحوري). وعادةً ما تكون فروق الإجهاد العمودي أكثر اعتمادًا على معدل القص من إجهاد القص ويمكن أن تظهر زيادات كبيرة مع زيادة معدل القص.
بالإضافة إلى N1 يمكننا أيضًا تعريف معامل الإجهاد العمودي الأول الذي يمكن اعتباره مكافئًا للُّزوجة اللزوجة ويعتمد على معدل القص ý وفقًا للمعادلة التالية.
وترتبط الاختلافات في الإجهاد العادي بالتأثيرات غير الخطية وهي نتيجة لتباين الخواص في البنية المجهرية الأساسية في ظل ظروف التدفق. التأثيرات الريولوجية العادية مثل تأثير "فايسنبرغ" أو تأثير "تسلق القضبان" أو تأثير "انتفاخ القالب" أو "الانتفاخ بعد البثق"، إلخ.
يمكن أن تُظهر مجموعة كبيرة من المنتجات، بما في ذلك ذوبان البوليمر والمحاليل وأنظمة خافضات التوتر السطحي والمستحلبات إجهادات عادية. في معظم الحالات، تكون الضغوط العادية موجبة، ولكن تم الإبلاغ أيضًا عن ضغوط عادية سلبية في بعض الحالات، على سبيل المثال، في المواد الهلامية الصفائحية.
إن أفضل هندسة يمكن استخدامها لقياس فرق الإجهاد العمودي الأول بشكل صحيح هي هندسة المخروط واللوحة لأنها توفر معدل قص ثابت عبر العينة ويكون الدفع لأعلى بسبب N1 فقط.
تجريبي
- تم تقييم السلوك اللزوجة المرن غير الخطي لغسول الجسم.
- أُجريت قياسات مقياس الانسيابية الدورانية باستخدام مقياس الانسيابية Kinexus مع خرطوشة لوحة بلتيير وباستخدام نظام قياس اللوحة المخروطية1، وباستخدام تسلسلات قياسية معدة مسبقًا في برنامج rSpace.
- تم استخدام تسلسل تحميل قياسي لضمان خضوع كلتا العينتين لبروتوكول تحميل متسق ويمكن التحكم فيه.
- تم إجراء جميع قياسات الريولوجيا عند درجة حرارة 25 درجة مئوية.
- تم إنشاء منحنى التدفق باستخدام جدول توازن لاختبار معدلات القص بين 0.1 و1000 ثانية-1 وتم تحديد القوة العمودية.
النتائج والمناقشة
يوضح الشكل 2 منحنى معدل اللزوجة والقص لغسول الجسم. يمكن تصنيف هذا المنتج على أنه سائل مرقق بالقص لأنه يُظهر سلوكًا نيوتونيًا عند معدلات القص المنخفضة يتبعه انخفاض سريع في اللزوجة فوق معدل القص الحرج. وفوق هذا المعدل الحرج، هناك أيضًا ارتفاع واضح في القوة العمودية ناتج عن سلوك اللزوجة اللزجة غير الخطية الناجم عن التوتر في البنية المجهرية المشوهة.
ويتضح ذلك أكثر عند مقارنة إجهادات القص والإجهادات العمودية مباشرةً كما في الشكل 3. وهذا يوضح أن الإجهاد العمودي يتجاوز إجهاد القص عند النقطة التي يصبح عندها إجهاد القص ثابتًا. ويتوافق هذا مع سلوك التدفق المهيمن المرن ويفسر سبب ظهور غسالات الجسم المهيكلة بالسطح "شديدة المرونة" و"خيطية" عند الاستخدام. في نهاية المطاف، سيؤدي هذا السلوك المرن المهيمن إلى عدم استقرار التدفق عند معدلات القص العالية وستخرج العينة من فجوة القياس.
يوضح الشكل 4 معامل الإجهاد العمودي الأول ψ1 مرسومًا إلى جانب لزوجة القص. يظهر المعاملان شكلين متشابهين ولكن لأن ψ1 يتناسب مع ý[1]، فهو أقل من η في هذه الحالة ويظهر تدرجًا أكثر حدة. يمكن أن تكون مقارنة ψ1 أو N1 وكذلك اللزوجة للمواد اللزجة المرنة مفيدة، خاصة إذا كانت المادة عالية اللزوجة ومن المحتمل أن يولد التطبيق أو العملية التي تستخدم فيها المادة توترًا في خطوط الانسياب.
الخاتمة
يمكن تحديد السلوك اللزوجة اللزجة غير الخطية للمادة غير النيوتونية بقياس القوة العمودية كدالة لمعدل القص باستخدام نظام قياس اللوح المخروطي. يمكن أيضًا حساب فرق الإجهاد العمودي الأول ومعامل الإجهاد العمودي الأول المكافئ لإجهاد القص ولزوجة القص على التوالي.
1يرجىملاحظة أنه يجب إجراء الاختبار باستخدام نظام قياس اللوحة المخروطية.