استخدام التدفق بالضغط لتوسيع قياسات الانسيابية للمعلقات المركزة

مقدمة

يمكن أن يمثل إجراء قياسات الانسيابية للقص على العينات ذات نسبة المواد الصلبة العالية صعوبات في مقياس الانسيابية الدورانية، حيث يمكن أن تكون العينة عرضة للكسر حتى عند معدلات القص المنخفضة إلى المتوسطة. عندما يحدث هذا، يظهر انخفاض مفاجئ وحاد في إجهاد القص في البيانات عندما تنكسر العينة عند حافة فجوة الهندسة.

مثال على المعلق المركز المعرض لمثل هذه التأثيرات هو معجون الأسنان. تتألف معاجين الأسنان بشكل عام من مادة كاشطة ومكثف بوليمر ومشتت في قاعدة مائية، بالإضافة إلى المنكهات والمواد الحافظة. وعادةً ما تظهر هذه المواد المعبأة بدرجة عالية من التكسر تحت القص الدوراني، وهو ما قد يمثل مشكلة عند تقييم الأداء في ظل الظروف ذات الصلة بالاستخدام. في حالة معاجين الأسنان، قد يكون من الصعب تحديد خصائص التدفق ذات الصلة بالمعالجة، وغالبًا ما يكون من الصعب التنبؤ بكيفية تدفق معجون الأسنان النهائي من الأنبوب إلى فرشاة الأسنان.

يوضح الشكل 1 منحنى منحنى تدفق متوازن لمعجون أسنان نموذجي. لاحظ الانخفاض الحاد في اللزوجة عند 40 ^ث-1، وهو ما يتوافق مع انكسار معجون الأسنان بين الشكلين الهندسيين العلوي والسفلي.

يمكن تأخير كسر العينة (من حيث معدل القص) عن طريق استخدام هندسة الصفيحة المتوازية، والتي تسمح بتطبيق فجوة أصغر حجمًا، ولكن لا يمكن التخلص منها تمامًا. قد يكون استخدام فجوة ضيقة ضارًا في الواقع في حالة المواد المملوءة بشكل كبير التي تحتوي على جسيمات كبيرة، حيث إنه من الضروري استخدام فجوة كبيرة بما يكفي لتجنب تشويش الجسيمات تحت القص[1].

هناك تقنية بديلة لقياس خصائص تدفق القص لمثل هذه الأنظمة وهي التدفق بالضغط. ويتضمن ذلك تحميل عينة بين ألواح متوازية، ثم قياس القوة العمودية التي تولدها العينة مع إغلاق الفجوة بسرعة ثابتة على سبيل المثال. طوَّر Laun وآخرون (Laun, Rady, & Hassager, 1999) طريقة تأخذ في الحسبان الانزلاق الجزئي للجدار لتحويل بيانات الفجوة والقوة العمودية إلى إجهاد القص ومعدل القص مما يسمح بحساب لزوجة القص كدالة لمعدل القص. يكون الحد الأقصى لمعدل القص المتاح عند سرعة فجوة محددة محدودًا بالقدرة القصوى للقوة العادية لمقياس الانسيابية، ولكن غالبًا ما يمكن أن يتجاوز معدل القص الذي يمكن تحقيقه باستخدام قياس الانسيابية الدورانية، حيث تظهر العينة كسرًا في الحافة.

تتم المنهجية بحيث يتم تحميل حجم محدد من العينة على مركز اللوحة الهندسية السفلية، ثم يتم خفض اللوحة العلوية بسرعة ثابتة إلى فجوة نهائية محددة، انظر الشكل 2. تقاس القوة الصاعدة الناتجة عن العينة التي تقاوم الحركة الهبوطية للهندسة والفجوة المقابلة كدالة للزمن.

تجريبي

• تم تقييم سلوك التدفق الانضغاطي لمعجون الأسنان عند سرعات ضغط تبلغ 2 مم/ثانية و10 مم/ثانية.
• أُجريت القياسات على كمية 1 جم من معجون الأسنان باستخدام مقياس الانسيابية الدورانية Kinexus مع خرطوشة صفيحة بلتيير ونظام قياس صفيحة متوازية 60 مم، باستخدام تسلسل تدفق الضغط في برنامج rSpace لبرنامج Kinexus.
• تم إنشاء بيانات منحنى التدفق الدوراني للمقارنة باستخدام صفيحة متوازية خشنة بقطر 40 مم مع فجوة 1 مم وباستخدام تسلسل rSpace القياسي الذي تم تكوينه مسبقًا.
• تم إجراء جميع القياسات عند درجة حرارة 25 درجة مئوية.
• تم تحويل كتلة العينة إلى الحجم باستخدام كثافة معجون أسنان تبلغ 1.3 ^جم/سم3.

النتائج والمناقشة

تظهر في الشكل 3 فجوة ومظهر جانبي للقوة العمودية لمعجون الأسنان، مع سرعة فجوة تبلغ 2 مم/ثانية. يوضح الخط الأزرق الذي يمثل الفجوة اقتراب اللوح الهندسي العلوي من العينة. عندما تتلامس اللوحة مع العينة، فإنها تشكل أسطوانة مضغوطة ذات قطر متزايد ويبدأ الخط الأحمر، الذي يمثل القوة العمودية، في الزيادة. عندما تصل الهندسة العلوية إلى الفجوة النهائية المحددة، تصبح قوة الضغط ثابتة مع توقف الضغط.

ثم يتم تحويل بيانات القوة العادية وبيانات الفجوة إلى إجهاد القص ومعدل القص، على التوالي، تلقائيًا في نهاية إجراء القياس باستخدام المعادلتين [1] و[2]. ثم تُحسب لزوجة القص بعد ذلك بقسمة إجهاد القص الناتج على معدل القص المقابل.

ويوضح الشكل 4 منحنى التدفق الناتج الناتج من بيانات تدفق الضغط باستخدام سرعة قص تبلغ 2 مم/ثانية. يُظهر هذا الرسم البياني ثلاث مناطق متميزة من حيث سلوك تدفق العينة؛ حتى 7 ^ث-1 تقريبًا تبدأ العينة في التدفق مع بدء زيادة قوى الضغط؛ بدءًا من 7 ^ث-1، يُظهر منحنى اللزوجة تغيرًا في التدرج مع ظهور التدفق على العينة؛ ويحدث تغير آخر في التدرج فوق 150 ^ث-1 مع وصول قوى الضغط إلى الحد الأقصى وتوقف تدفق العينة. على هذا النحو، يتم استخدام بيانات التدفق الثابت للعينة فقط من القياس.

تم تكرار اختبار التدفق بالضغط على كمية جديدة من معجون الأسنان بوزن 1 جم وهذه المرة باستخدام سرعة ضغط تبلغ 10 مم/ثانية. تظهر مقارنة بين بيانات كل من 2 و10 مم/ث في الشكل 5، إلى جانب بيانات تدفق التوازن التي تم الحصول عليها باستخدام قياس الانسيابية الدورانية التقليدية.

يمكن ملاحظة أن بيانات التدفق الانضغاطي تتطابق بشكل جيد للغاية مع بيانات التدفق الدوراني، حيث يمتد معدل القص من 20 ^{ث/ثانية} كحد أقصى للقياسات الدورانية إلى 700 ^{ث/ثانية} لقياسات التدفق الانضغاطي. وبالطبع، قد تكون العينات المختلفة أكثر أو أقل ملاءمة لتقنية التدفق بالضغط من تلك الموضحة هنا، ومن ثم يوصى بإجراء قياسات تجريبية لأي تحليل جديد.

الخاتمة

يمكن استخدام مقياس الانسيابية الدورانية Kinexus المزود بقدرات اختبار محورية متقدمة لتوسيع نطاق معدل القص القابل للقياس للمعلقات المركزة، المعرضة للتكسر، باستخدام تقنية التدفق بالضغط. أعطت اللزوجة المحسوبة لمعجون الأسنان التي تم الحصول عليها من خلال قياسات التدفق بالضغط بيانات مماثلة لقياس الانسيابية الدورانية التقليدية ووسعت نطاق معدل القص بما يقرب من مرتبتين من حيث الحجم.

الحاشية

[1] يجب أن يكون حجم الفجوة 10 أضعاف حجم الجسيمات القصوى بحيث يكون هناك مساحة حرة كافية بين الجسيمات لتتحرك بحرية. مع زيادة معدل القص والفجوة الضيقة، تميل الجسيمات الكبيرة إلى التكدس معًا، مما يؤدي إلى تزييف سلوك التدفق.