Bestemmelse af flydespænding i komplekse væsker ved hjælp af stressvæksttest på et rotationsreometer - Bodylotion

Introduktion

Mange komplekse væsker, som f.eks. netværksdannende polymerer, mesofaser af overfladeaktive stoffer og koncentrerede emulsioner, flyder ikke, før den påførte spænding overstiger en bestemt kritisk værdi, kendt som flydespændingen. Materialer, der udviser denne adfærd, siges at udvise flydespændingsadfærd. Flydespændingen er derfor defineret som den spænding, der skal påføres prøven, før den begynder at flyde. Under flydespændingen vil prøven deformeres elastisk (som at strække en fjeder), over flydespændingen vil prøven flyde som en væske.

De fleste væsker med FlydespændingFlydespænding defineres som den spænding, hvorunder der ikke sker nogen flydning; opfører sig bogstaveligt talt som et svagt fast stof i hvile og en væske, når det giver efter.flydespænding kan betragtes som et strukturelt skelet, der strækker sig over hele systemets volumen. Skelettets styrke styres af strukturen i den dispergerede fase og dens interaktioner. Normalt har den kontinuerlige fase lav viskositet, men høje volumenfraktioner af en dispergeret fase kan øge viskositeten tusind gange og fremkalde en faststoflignende opførsel i hvile.

Når en kompleks væske, der udviser flydeadfærd, forskydes ved lave forskydningshastigheder, i området mellem 0,01 - 0,1 ^s-1 og under dens kritiske StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning, udsættes systemet for arbejdshærdning. Dette er karakteristisk for faststoflignende opførsel og skyldes, at elastiske elementer strækkes i forskydningsfeltet. Når sådanne elastiske elementer nærmer sig deres kritiske tøjning, begynder strukturen at bryde sammen og forårsage ForskydningsudtyndingDen mest almindelige type ikke-newtonsk opførsel er forskydningsfortynding eller pseudoplastisk flow, hvor væskens viskositet falder med stigende forskydning.forskydningsudtynding (blødgøring) og efterfølgende flow. Dette falder sammen med en spidsværdi i forskydningsspænding, som er lig med flydespændingen. Dette er afbildet i figur 1.

Flydespændingen er defineret som den spænding, der skal påføres prøven, før den begynder at flyde.

Normalt anvendes en lav forskydningshastighed i disse tests for at tage højde for materialets tidsrelaksationsegenskaber, selvom forskellige forskydningshastigheder kan anvendes afhængigt af den pågældende anvendelse. Hurtige processer som f.eks. dosering sker på kort tid, hvilket svarer til højere forskydningshastigheder, mens stabilitet over for sedimentering/fløde sker over længere tid og bedre kan evalueres ved lavere forskydningshastigheder. Da FlydespændingFlydespænding defineres som den spænding, hvorunder der ikke sker nogen flydning; opfører sig bogstaveligt talt som et svagt fast stof i hvile og en væske, når det giver efter.flydespænding generelt er en tidsafhængig egenskab, kan de målte værdier være forskellige. En forskydningshastighed på 0,01 ^s-1 er dog almindeligt anvendt i en sådan test og har vist sig at give god overensstemmelse med andre flydespændingsmetoder som f.eks. krybetestning [1].

Denne applikationsnote viser metodologi og data fra en stressvæksttest for en bodylotion.

Eksperimentel

• Et kommercielt bodylotion-produkt blev valgt til analyse.
• Rotationsreometermålinger blev foretaget ved hjælp af et Kinexus-reometer med en Peltier-pladepatron og et målesystem med 40 mm ru parallelle plader (for at undgå, at prøven gled på geometriens overflader⁾², og ved hjælp af standardiserede, forudkonfigurerede sekvenser i rSpace-softwaren.
• Forskydningspositionen for den parallelle pladegeometri blev indstillet til 100 % i rSpace-softwaren (ved hjælp af geometridatabasen) for at måle spændingen ved begyndelsen af eftergivelsen.
• Der blev anvendt en standard belastningssekvens for at sikre, at prøven blev udsat for en ensartet og kontrollerbar belastningsprotokol.
• En enkelt forskydningshastighedstest blev udført med en forskydningshastighed på 0,01 ^s-1, og spændingsudviklingen som en funktion af tiden blev målt.
• Dataene blev analyseret ved hjælp af en peak-analyse for at bestemme flydespændingen.
• Alle reologimålinger blev udført ved 25 °C.

Resultater og diskussion

Figur 2 viser en spændingskurve i forhold til tid for prøven af bodylotion. Spændingen opbygges oprindeligt, når tøjningen øges, og når en topværdi ved den kritiske tøjning, som er lig med flydespændingen.

Tabel 1: Peak-analyseresultater fra stressudviklingskurven for bodylotion-prøven

Denne spidsværdi bestemmes automatisk ud fra en spidsanalyse og rapporteres tilbage i rSpace-softwaren i tabelform som vist i Tabel 1. Den rapporterede flydespændingsværdi for denne bodylotion er 75,4 Pa, og det viste sig, at den opstod ved en tøjning på ca. 0,5 (50 %).

Som nævnt i indledningen kan den målte FlydespændingFlydespænding defineres som den spænding, hvorunder der ikke sker nogen flydning; opfører sig bogstaveligt talt som et svagt fast stof i hvile og en væske, når det giver efter.flydespænding for nogle materialer være afhængig af forskydningshastigheden, især når der sker en betydelig strukturel AfslapningNår en gummiblanding udsættes for en konstant belastning, er den kraft, der er nødvendig for at opretholde belastningen, ikke konstant, men aftager med tiden; denne adfærd kaldes spændingsaflastning. Den proces, der er ansvarlig for spændingsaflastning, kan være fysisk eller kemisk, og under normale forhold vil begge dele forekomme på samme tid. afslapning med tiden. I disse tilfælde vil der blive observeret en højere FlydespændingFlydespænding defineres som den spænding, hvorunder der ikke sker nogen flydning; opfører sig bogstaveligt talt som et svagt fast stof i hvile og en væske, når det giver efter.flydespænding ved højere forskydningshastigheder, da der er mindre tid for strukturen til at slappe af.

For eksempel gav den samme stressvæksttest udført på den samme bodylotion med en forskydningshastighed på 0,1 ^s-1 i stedet for 0,01 ^s-1 en FlydespændingFlydespænding defineres som den spænding, hvorunder der ikke sker nogen flydning; opfører sig bogstaveligt talt som et svagt fast stof i hvile og en væske, når det giver efter.flydespænding på 82 Pa.

Konklusion

Spændingsvækst er en hurtig og præcis test til bestemmelse af et materiales FlydespændingFlydespænding defineres som den spænding, hvorunder der ikke sker nogen flydning; opfører sig bogstaveligt talt som et svagt fast stof i hvile og en væske, når det giver efter.flydespænding. Det er dog vigtigt at anvende en konstant forskydningshastighed til sammenlignende test, da forskellige forskydningshastigheder kan give forskellige resultater afhængigt af afslapningsadfærden i det materiale, der testes.

Bemærk venligst ...

at testning kan udføres med kegle- og pladegeometri eller parallelpladegeometri - hvor sidstnævnte foretrækkes til dispersioner og emulsioner med large partikelstørrelser. Sådanne materialetyper kan også kræve brug af savtakkede eller ru geometrier for at undgå artefakter i forbindelse med glidning på geometriens overflade.