Въведение
Когато се деформират вискоеластични материали, те претърпяват триизмерна деформация, която може да се опише чрез тензор (3х3) (вж. фигура 1).
Тензорът съдържа три нормални напрежения: σxx, σyy, σzz. Останалите шест тензора са напрежения на срязване. Ако доминира вискозното поведение (т.е. ако флуидът тече), тогава има само една компонента на напрежението на срязване, а останалите могат да бъдат пренебрегнати.
Първата разлика на нормалните напрежения може да се определи като:
Където σxx е напрежението, действащо в посоката на приложената срязваща сила, а σyy е напрежението, действащо в посоката на нормалната сила. При реологичен експеримент възходящата сила върху геометрията и лагера е нормалната сила (която е в аксиална посока). Разликите в нормалните напрежения обикновено са по-зависими от скоростта на срязване, отколкото напреженията на срязване, и могат да покажат значително увеличение с увеличаване на скоростта на срязване.
В допълнение към N1 можем да определим и първия коефициент на нормално напрежение, който може да се счита за вискоеластичен еквивалент на вискозитета и зависи от скоростта на срязване ý съгласно следното уравнение.
Разликите в нормалните напрежения са свързани с нелинейни ефекти и са резултат от това, че основната микроструктура става анизотропна в условията на потока. Нормалните реологични ефекти, като например ефектът на Вайсенберг или ефектът на "изкачване на пръчки", ефектът на "набъбване на матрицата" или "набъбване след екструдиране" и др.
large гама от продукти, включително полимерни стопилки, разтвори, системи от повърхностноактивни вещества и емулсии, могат да проявят нормални напрежения. В повечето случаи нормалните напрежения са положителни, но в някои случаи са докладвани и отрицателни нормални напрежения, напр. при ламелни гелове.
Най-добрата геометрия, която може да се използва за правилно измерване на първата разлика в нормалните напрежения, е геометрията на конуса и плочата, тъй като тя предлага постоянна скорост на срязване в цялата проба и възходящата тяга се дължи само на N1.
Експериментален
- Оценено е нелинейното вискоеластично поведение на измиващ продукт за тяло.
- Измерванията с ротационен реометър бяха извършени с реометър Kinexus с касета с плочи на Пелтие и с помощта на измервателна система с конусовидни плочи1 , като бяха използвани стандартни предварително конфигурирани последователности в софтуера rSpace.
- Използвана е стандартна последователност на зареждане, за да се гарантира, че и двете проби са били подложени на последователен и контролируем протокол на зареждане.
- Всички реологични измервания са извършени при 25°C.
- Кривата на потока е генерирана, като е използвана равновесна таблица за изпитване на скоростта на срязване между 0,1 и 1000 s-1 и е определена нормалната сила.
Резултати и обсъждане
На фигура 2 е показана кривата "вискозитет-скорост на срязване" за измиване на тялото. Този продукт може да се класифицира като течност, разреждаща се при срязване, тъй като показва нютоново поведение при ниски скорости на срязване, последвано от бързо намаляване на вискозитета над критичната скорост на срязване. Над тази критична скорост се наблюдава и видимо нарастване на нормалната сила в резултат на нелинейното вискоеластично поведение, причинено от напрежението в деформиращата се микроструктура.
Това е по-очевидно, когато напреженията на срязване и нормалните напрежения се сравняват директно, както е показано на фигура 3. Това показва, че нормалното напрежение превишава напрежението на срязване в точката, в която напрежението на срязване става постоянно. Това съответства на доминиращото еластично поведение на потока и обяснява защо структурираните с повърхностноактивни вещества измиващи продукти за тяло изглеждат "силно еластични" и "жилави", когато се използват. В крайна сметка това еластично доминиращо поведение ще доведе до нестабилност на потока при високи скорости на срязване и пробата ще излезе от измервателната междина.
На фигура 4 е показан първият коефициент на нормално напрежение ψ1, нанесен заедно с вискозитета на срязване. Двата коефициента имат сходни форми, но тъй като ψ1 е пропорционален на ý[1], в този случай той е по-нисък от η и показва по-стръмен градиент. Сравнението на ψ1 или N1, както и на вискозитета за вискоеластични материали може да бъде полезно, особено ако материалът е силно вискоеластичен и приложението или процесът, в който се използва материалът, вероятно ще генерира напрежение в поточните линии.
Заключение
Нелинейното вискоеластично поведение на ненютонов материал може да се определи чрез измерване на нормалната сила като функция на скоростта на срязване с помощта на измервателна система с конусовидна плоча. Могат да бъдат изчислени и първата нормална разлика на напрежението и първият коефициент на нормално напрежение, които са еквивалентни съответно на напрежението при срязване и вискозитета при срязване.
1Моля,имайте предвид, че изпитването трябва да се извърши с измервателна система с конусовидна плоча.