Въведение
Много сложни флуиди, като например мрежообразуващи полимери, мезофази на повърхностноактивни вещества и концентрирани емулсии, не текат, докато приложеното напрежение не надвиши определена критична стойност, известна като граница на провлачане. Материалите, които проявяват това поведение, се наричат материали с поведение на течливост. Следователно границата на течливост се определя като напрежението, което трябва да се приложи към образеца, преди той да започне да тече. Под границата на провлачване образецът се деформира еластично (като разтягане на пружина), а над границата на провлачване образецът тече като течност.
Повечето флуиди с граница на провлачане могат да се разглеждат като структурен скелет, който се простира върху целия обем на системата. Здравината на скелета се определя от структурата на дисперсната фаза и нейните взаимодействия. Обикновено непрекъснатата фаза е с нисък вискозитет, но високите обемни фракции на дисперсната фаза могат да увеличат вискозитета хиляди пъти и да предизвикат твърдотелно поведение в покой.
Когато сложен флуид, който проявява поведение на течливост, се срязва при ниски скорости на срязване, в диапазона между 0,01 и 0,1 s-1 и под критичната му деформация, системата се подлага на втвърдяване. Това е характерно за твърдотелното поведение и е резултат от разтягането на еластичните елементи в полето на срязване. Когато такива еластични елементи се приближат до критичната си деформация, структурата започва да се разрушава, което води до изтъняване при срязване (омекотяване на деформацията) и последващо протичане. Това съвпада с максимална стойност на напрежението на срязване, която е равна на границата на провлачане. Това е представено на фигура 1.
Напрежението на срязване се определя като напрежението, което трябва да се приложи към образеца, преди той да започне да тече.
Обикновено при тези изпитвания се използва ниска скорост на срязване, за да се отчетат свойствата на материала, свързани с релаксацията във времето, въпреки че в зависимост от интересуващото ни приложение могат да се използват различни скорости на срязване. Бързите процеси, като например дозиране, протичат в кратки срокове, което съответства на по-високи скорости на срязване, докато устойчивостта на утаяване/кремиране се проявява в по-дълги срокове и се оценява по-добре при по-ниски скорости на срязване. Тъй като границата на провлачване обикновено е времево зависимо свойство, измерените стойности могат да бъдат различни. Скорост на срязване от 0,01 s-1 обаче обикновено се използва при такова изпитване и е установено, че дава добро съответствие с други методи за определяне на границата на провлачване, като например изпитването на пълзене [1].
В настоящата приложна бележка са представени методология и данни от изпитване за нарастване на напрежението на лосион за тяло.
Експериментален
- За анализ е избран търговски продукт - лосион за тяло.
- Измерванията с ротационен реометър бяха извършени с реометър Kinexus с касета с плочи на Пелтие и измервателна система с 40 mm грапави паралелни плочи (за да се избегне приплъзване на пробата по геометричните повърхности)2 и с използване на стандартни предварително конфигурирани последователности в софтуера rSpace.
- Позицията на срязване за геометрията на паралелната плоча е зададена на 100 % в софтуера rSpace (като се използва базата данни за геометрията), така че да се измери напрежението в началото на пластичността.
- Използвана е стандартна последователност на натоварване, за да се гарантира, че пробата е подложена на последователен и контролируем протокол на натоварване.
- Извършено е единично изпитване със скорост на срязване 0,01 s-1 и е измерена еволюцията на напрежението като функция на времето.
- Данните бяха анализирани чрез пиков анализ за определяне на границата на провлачване.
- Всички реологични измервания са извършени при 25°C.
Резултати и обсъждане
На фигура 2 е показана кривата на зависимостта на напрежението от времето за пробата от лосион за тяло. Първоначално напрежението нараства с увеличаване на деформацията и достига максимална стойност при критичната деформация, която е равна на границата на провлачане.
Таблица 1: Резултати от анализа на пиковете от кривата на развитие на напрежението за пробата от лосион за тяло
| Проба Описание | Чист лосион за тяло |
|---|---|
| Наименование на експеримента | определяне на границата на провлачане чрез нарастване на напрежението |
| Име на действието | анализ на напрежението на добива Индекс на точката |
| Точков индекс | 1 |
| Напрежение на срязване (Pa) | 75.42 |
Вискозитет на срязване (Pas) | 7.53E+003 |
Тази стойност на пика се определя автоматично от анализа на пика и се отчита в софтуера rSpace в табличен вид, както е показано в таблица 1. Докладваната стойност на границата на провлачване за този лосион за тяло е 75,4 Pa и е установено, че тя се проявява при деформация от приблизително 0,5 (50 %).
Както бе споменато във въведението, за някои материали измерената граница на провлачане може да зависи от скоростта на срязване, особено когато с времето настъпва значителна структурна релаксация. В тези случаи при по-високи скорости на срязване се наблюдава по-висока граница на провлачване, тъй като структурата има по-малко време да се отпусне.
Например същото изпитване за нарастване на напрежението, извършено върху същия лосион за тяло при скорост на срязване 0,1 s-1 вместо 0,01 s-1, дава граница на провлачване 82 Pa.
Заключение
Растежът на напрежението е бърз и точен тест за определяне на границата на провлачане на даден материал. Важно е обаче да се използва постоянна скорост на срязване за сравнително изпитване, тъй като различните скорости на срязване могат да дадат различни резултати в зависимост от релаксационното поведение на изпитвания материал.
Моля, обърнете внимание на ...
че изпитването може да се извърши с геометрия на конус и плоча или паралелна плоча, като последната се предпочита за дисперсии и емулсии с размери на частиците large. Такива типове материали могат да изискват също така използването на назъбени или грапави геометрии, за да се избегнат артефакти, свързани с приплъзване по повърхността на геометрията.