Introduktion
Når man foretager forskydningsreologiske målinger på strukturerede væsker - især suspensioner, emulsioner eller skum - er der stor sandsynlighed for, at målingen kan blive påvirket af et fænomen, der er kendt som "wall slip". Wall slip skyldes generelt en lokal udtømning af den dispergerede fase nær geometriens vægge, hvilket effektivt danner et smørelag ved overfladen. Som følge heraf måles de reologiske egenskaber ikke længere nøjagtigt, hvilket fører til en undervurdering af den sande viskositet.
En lignende effekt kan observeres ved måling af faststoflignende materialer, hvor der ikke er tilstrækkelig friktion mellem prøven og væggen til at understøtte den påførte spænding.
Vægslip kan modvirkes på en række måder, når der testes på et rotationsreometer, især ved brug af ru eller savtakkede geometrier, som effektivt fører geometribevægelsen ind i prøven og dermed maksimerer kontakten mellem prøve og væg på bekostning af vekselvirkningen mellem prøve og væg. Til kop- og bob-systemer kan der også anvendes lameller og splined geometrier.
Figur 2 viser konsekvensen af glidning for en koncentreret partikelsuspension målt ved hjælp af glatte, parallelle plader. Det tilsyneladende "hundeben" i flowkurven er en velkendt egenskab ved vægslip, som i dette tilfælde stort set kan elimineres ved brug af takkede plader.
For mere subtile forekomster af vægslip er det ikke så let at bekræfte dets tilstedeværelse, medmindre der foretages målinger med glatte og takkede eller ru plader, selvom en bruger i mange tilfælde måske ikke har begge geometrityper til rådighed til en sådan sammenligning.
I sådanne tilfælde kan man få bevis for glidning ved at udføre spændingskontrollerede målinger ved forskellige mellemrum. Hvis der sker glidning, vil glidningshastigheden Vs kun afhænge af den påførte forskydningsspænding σ, men ikke af mellemrummet. Derimod vil hastighedsforskellen på tværs af prøven, som bruges til at beregne forskydningshastigheden, være afhængig af både afstanden og forskydningsspændingen. Ved at variere mellemrummet h og holde spændingen σ konstant er det således muligt at bestemme glidehastigheden og den sande forskydningshastighed ved hjælp af ligning 1.
V er den øverste plades hastighed
-γapp er den målte forskydningshastighed
-γ er den sande forskydningshastighed
Dette gøres ved at plotte den målte hastighed -γapp mod 1/h, hvilket burde resultere i en ret linje med hældningen 2Vs og skæringspunktet γ-.
I nogle tilfælde er der observeret negative værdier for den sande forskydningshastighed, og disse er blevet tilskrevet belastningsfejl, spaltepræcision og spalteafhængige materialeegenskaber. Derfor er det at foretrække at arbejde med større mellemrum, hvor sådanne fejl minimeres.
Eksperimentel
- I dette eksperiment er en bodylotion og en showergel blevet evalueret for at bestemme omfanget af vægslip under en reologisk måling.
- Der blev foretaget rotationsreometermålinger ved hjælp af Kinexus rotationsreometer med en Peltier-pladepatron og et målesystem med ru parallelle plader1 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.
- Den forudkonfigurerede sekvens gjorde det muligt at foretage målinger i træk ved forskellige mellemrum mellem 1,2 og 0,9 mm ved hjælp af en konstant påført spænding på 50 Pa for hudcremen og 10 Pa for brusegelen.
- Den målte forskydningshastighed blev derefter automatisk plottet mod det omvendte mellemrum, og en lineær regressionsmodel blev tilpasset. Glidehastigheden og den sande forskydningshastighed blev estimeret ud fra henholdsvis gradienten og skæringspunktet.
Resultater og diskussion
Figur 3 viser plots af forskydningsviskositet i forhold til mellemrum. Mens shower gel viser en relativt konstant viskositet ved hver spalte, viser hudcremen en lille gradient med lavere viskositet ved mindre spalter, hvilket kan tilskrives vægslip. For at estimere glidehastigheden blev den målte forskydningshastighed plottet mod den omvendte spalte i overensstemmelse med ligning 1. En lineær modeltilpasning (y = mx+ c) blev anvendt på dataene med kurvens gradient lig med 2Vs og skæringspunktet lig med den sande forskydningshastighed.
For hudcremen blev glidehastigheden estimeret til 1,3 mm/s og den sande forskydningshastighed til 1,016 s-1. Det er en hel del lavere end de målte (tilsyneladende) shear rate-værdier på mellem 3-4 s-1, hvilket tyder på en betydelig grad af vægslip. Til fremtidige test anbefales det derfor at bruge ru eller takkede plader til netop denne prøve.
For brusegelen blev glidehastigheden estimeret til kun 0,08 mm/s med en sand forskydningshastighed på 0,68 s-1 sammenlignet med den tilsyneladende værdi på ca. 0,76 s-1. Denne forskel ligger inden for det sandsynlige fejlområde, der er forbundet med testen, og derfor kan brusegelen anses for ikke at glide under disse målebetingelser.
Konklusion
En shower gel og en hudcreme blev testet ved forskellige mellemrum for at vurdere glidningshastigheden ved grænsefladen mellem væg og prøve. Hudcremen viste et betydeligt vægslip, mens det var ubetydeligt for brusegelen. Denne test kan derfor bruges til at estimere graden af glidning for et specifikt materiale og testforhold og indikere, om det er nødvendigt at bruge ru eller profilerede geometrier.
Bemærk venligst...
at testen skal udføres med en glat, parallel pladegeometri.