Úvod
Při deformaci viskoelastických materiálů dochází k jejich trojrozměrné deformaci, kterou lze popsat pomocí tenzoru (3x3) (viz obrázek 1).
Tenzor obsahuje tři normálová napětí σxx, σyy, σzz. Dalších šest tenzorů jsou smyková napětí. Pokud převažuje viskózní chování (tj. pokud tekutina teče), pak existuje pouze jedna složka smykového napětí a ostatní lze ignorovat.
První rozdíl normálových napětí lze definovat jako:
Kde σxx je napětí působící ve směru působícího smyku a σyy je napětí působící ve směru normálové síly. Při reologickém experimentu působí na geometrii a ložisko vzestupná síla (která je v axiálním směru). Rozdíly normálových napětí jsou obvykle více závislé na smykové rychlosti než smykové napětí a mohou vykazovat výrazný nárůst s rostoucí smykovou rychlostí.
Kromě N1 můžeme definovat také první koeficient normálového napětí, který lze považovat za viskoelastický ekvivalent viskozity a který závisí na smykové rychlosti ý podle následující rovnice.
Rozdíly normálových napětí jsou spojeny s nelineárními efekty a jsou důsledkem toho, že základní mikrostruktura se v podmínkách proudění stává anizotropní. Normálové reologické efekty, jako je Weissenbergův efekt nebo efekt "tyčového lezení", efekt "die-swell" nebo efekt "post-extruzního bobtnání" atd.
Normální napětí může vykazovat řada výrobků large, včetně polymerních tavenin, roztoků, systémů povrchově aktivních látek a emulzí. Ve většině případů jsou normálová napětí kladná, ale v některých případech byla zaznamenána i záporná normálová napětí, např. v lamelárních gelech.
Nejvhodnější geometrií pro správné měření prvního rozdílu normálových napětí je geometrie kužele a desky, protože nabízí konzistentní smykovou rychlost v celém vzorku a tah nahoru je způsoben pouze N1.
Experimentální
- Bylo vyhodnoceno nelineární viskoelastické chování mycího prostředku.
- Rotační reometrická měření byla prováděna pomocí reometru Kinexus s kazetou s Peltierovou deskou a s použitím měřicího systému s kuželovou deskou1 a za použití standardních předkonfigurovaných sekvencí v softwaru rSpace.
- Byla použita standardní sekvence zatěžování, aby bylo zajištěno, že oba vzorky podléhají konzistentnímu a kontrolovatelnému protokolu zatěžování.
- Všechna reologická měření byla prováděna při teplotě 25 °C.
- Křivka toku byla vytvořena pomocí rovnovážné tabulky testovacích smykových rychlostí v rozmezí 0,1 až 1000 s-1 a byla stanovena normálová síla.
Výsledky a diskuse
Na obrázku 2 je znázorněna křivka viskozity a rychlosti smyku pro mytí těla. Tento výrobek lze klasifikovat jako kapalinu řídnoucí smykem, protože při nízkých smykových rychlostech vykazuje newtonovské chování, po kterém následuje rychlý pokles viskozity nad kritickou smykovou rychlostí. Nad touto kritickou rychlostí dochází také ke zjevnému nárůstu normálové síly v důsledku nelineárního viskoelastického chování způsobeného napětím v deformující se mikrostruktuře.
To je ještě patrnější při přímém porovnání smykových a normálových napětí, jak je znázorněno na obrázku 3. Z toho je patrné, že normálové napětí překonává smykové napětí v místě, kde se smykové napětí stává konstantním. To odpovídá elastickému dominantnímu chování při proudění a vysvětluje to, proč se při použití povrchově aktivních látek strukturované tělesné prací prostředky jeví jako "vysoce elastické" a "vláknité". Nakonec toto dominantně elastické chování povede při vysokých smykových rychlostech k nestabilitě toku a vzorek vystoupí z měřicí mezery.
Obrázek 4 ukazuje první koeficient normálového napětí ψ1 vynesený spolu se smykovou viskozitou. Oba koeficienty mají podobný tvar, ale protože ψ1 je úměrný ý[1], je v tomto případě nižší než η a vykazuje strmější gradient. Srovnání ψ1 nebo N1 i viskozity u viskoelastických materiálů může být užitečné, zejména pokud je materiál vysoce viskoelastický a aplikace nebo proces, ve kterém se materiál používá, pravděpodobně vytváří napětí v proudnicích.
Závěr
Nelineární viskoelastické chování nenewtonského materiálu lze určit měřením normálové síly jako funkce smykové rychlosti pomocí měřicího systému s kuželovou deskou. Lze také vypočítat první rozdíl normálových napětí a první koeficient normálového napětí, které jsou ekvivalentní smykovému napětí, resp. smykové viskozitě.
1Vezměte prosímna vědomí, že zkouška by měla být provedena pomocí měřicího systému kuželové desky.