Introduktion
Når viskoelastiske materialer deformeres, gennemgår de en tredimensionel deformation, som kan beskrives ved hjælp af en (3x3) tensor (se figur 1).
Tensoren indeholder tre normalspændinger, σxx, σyy, σzz. De andre seks tensorer er forskydningsspændinger. Hvis den viskøse opførsel dominerer (dvs. hvis væsken flyder), er der kun én forskydningsspændingskomponent, og de andre kan ignoreres.
Den første normalspændingsforskel kan defineres som:
Hvor σxx er den spænding, der virker i den påførte forskydningsretning, og σyy er den spænding, der virker i normalkraftens retning. I et reologisk eksperiment er det opadgående tryk på geometrien og lejet normalkraften (som er i aksial retning). De normale spændingsforskelle er normalt mere afhængige af forskydningshastigheden end forskydningsspændingen og kan vise betydelige stigninger med stigende forskydningshastighed.
Ud over N1 kan vi også definere den første normalspændingskoefficient, som kan betragtes som en viskoelastisk ækvivalent til viskositet, og som afhænger af forskydningshastigheden ý i henhold til følgende ligning.
Normale spændingsforskelle er forbundet med ikke-lineære effekter og er et resultat af, at den underliggende mikrostruktur bliver anisotropisk under strømningsforholdene. Normale reologiske effekter som Weissenberg- eller "rodclimbing"-effekten, "die-swell"- eller "post-extrusion swell"-effekten osv.
Et large udvalg af produkter, herunder polymersmelter, opløsninger, overfladeaktive systemer og emulsioner, kan udvise normalspændinger. I de fleste tilfælde er normalspændinger positive, men der er også rapporteret om negative normalspændinger i nogle tilfælde, f.eks. i lamellære geler.
Den bedste geometri til korrekt måling af den første normalspændingsforskel er kegle- og pladegeometrien, fordi den giver en ensartet forskydningshastighed på tværs af prøven, og det opadgående tryk kun skyldes N1.
Eksperimentel
- Den ikke-lineære viskoelastiske opførsel af en kropsvask blev evalueret.
- Der blev foretaget rotationsreometermålinger ved hjælp af et Kinexus-reometer med en Peltier-pladepatron og et kegleplademålesystem1 og ved hjælp af forudkonfigurerede standardsekvenser i rSpace-softwaren.
- Der blev brugt en standardbelastningssekvens for at sikre, at begge prøver blev udsat for en ensartet og kontrollerbar belastningsprotokol.
- Alle reologimålinger blev udført ved 25 °C.
- Flowkurven blev genereret ved hjælp af en ligevægtstabel med forskydningshastighedstest mellem 0,1 og 1000 s-1, og normalkraften blev bestemt.
Resultater og diskussion
Figur 2 viser kurven for viskositet og forskydningshastighed for kropsvasken. Dette produkt kan klassificeres som en forskydningsfortyndende væske, da det udviser newtonsk opførsel ved lave forskydningshastigheder efterfulgt af et hurtigt fald i viskositeten over en kritisk forskydningshastighed. Over denne kritiske hastighed er der også en tilsyneladende stigning i normalkraften som følge af ikke-lineær viskoelastisk opførsel forårsaget af spændinger i den deformerende mikrostruktur.
Det er mere tydeligt, når forskydningsspændingerne og normalspændingerne sammenlignes direkte som i figur 3. Det viser, at normalspændingen overgår forskydningsspændingen ved det punkt, hvor forskydningsspændingen bliver konstant. Dette svarer til elastisk dominerende strømningsadfærd og forklarer, hvorfor kropsvask med overfladeaktive stoffer virker 'meget elastisk' og 'trevlet', når den er i brug. Til sidst vil denne elastisk dominerende adfærd føre til ustabilt flow ved høje forskydningshastigheder, og prøven vil kravle ud af målehullet.
Figur 4 viser den første normalspændingskoefficient ψ1 plottet sammen med forskydningsviskositeten. De to koefficienter har samme form, men fordi ψ1 er proportional med ý[1], er den lavere end η i dette tilfælde og viser en stejlere gradient. Det kan være nyttigt at sammenligne ψ1 eller N1 samt viskositet for viskoelastiske materialer, især hvis materialet er meget viskoelastisk, og den anvendelse eller proces, som materialet bruges i, sandsynligvis vil generere spændinger i strømlinjerne.
Konklusion
Den ikke-lineære viskoelastiske opførsel af et Ikke-newtonskEn ikke-newtonsk væske er en væske, der har en viskositet, der varierer som en funktion af den påførte forskydningshastighed eller forskydningsspænding.ikke-newtonsk materiale kan bestemmes ved at måle normalkraften som en funktion af forskydningshastigheden ved hjælp af et kegleplademålesystem. Den første normalspændingsforskel og den første normalspændingskoefficient, som svarer til henholdsvis forskydningsspændingen og forskydningsviskositeten, kan også beregnes.
1Bemærk, at testen skal foretages med et kegleplademålesystem.