Εισαγωγή
Το αν η μακροπρόθεσμη σταθερότητα ενός γαλακτώματος ή εναιωρήματος διέπεται από ένα ιξώδες μηδενικής διάτμησης ή από ένα όριο διαρροής εξαρτάται από τη μικροδομή του. Επιπλέον, είναι σημαντική η κατάσταση αυτής της μικροδομής σε μεγάλες χρονικές κλίμακες, δεδομένου ότι αυτή είναι τελικά η κατάσταση που θα συναντήσει κάθε διεσπαρμένη φάση κατά την παρατεταμένη αποθήκευση. Ένας τρόπος για να προσδιοριστεί η ύπαρξη και το μέγεθος αυτού του ιξώδους χαμηλής διάτμησης (μηδενικής διάτμησης) είναι από μια δοκιμή ερπυσμού. Η δοκιμή αυτή περιλαμβάνει την εφαρμογή σταθερής τάσης για παρατεταμένη χρονική κλίμακα και την παρακολούθηση της προκύπτουσας παραμόρφωσης ή συμμόρφωσης (τάση/ένταση) σε συνάρτηση με το χρόνο.
Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, ένα καθαρά ιξώδες υλικό θα παρουσιάσει μια σταθερή αύξηση της συμμόρφωσης με το χρόνο, ενδεικτική της ροής, δηλαδή μια σταθερή ιξώδη απόκριση. Αντίθετα, ένα στερεό θα εμφανίσει μηδενική κλίση που υποδηλώνει ελαστική απόκριση.
Για τα ιξωδοελαστικά υλικά, η απόκριση θα είναι ένας συνδυασμός ιξωδών και ελαστικών φαινομένων, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2, με την απόκριση σε μεγάλες χρονικές στιγμές να δείχνει αν έχει τάση διαρροής (ελαστική) ή ιξώδη απόκριση σταθερής κατάστασης (ιξώδης). Εάν το υλικό παρουσιάζει ιξώδη απόκριση σταθερής κατάστασης, τότε το ιξώδες μηδενικής διάτμησης δίνεται απλώς από την αντίστροφη κλίση του διαγράμματος συμμόρφωσης ως προς το χρόνο.
Εάν το μέσο μέγεθος των σωματιδίων, η πυκνότητα και το κλάσμα όγκου της διασκορπισμένης φάσης είναι γνωστά και το μηδενικό διατμητικό ιξώδες της συνεχούς φάσης έχει προσδιοριστεί, τότε η ταχύτητα (V) της διασκορπισμένης φάσης μπορεί να εκτιμηθεί χρησιμοποιώντας την ακόλουθη τροποποίηση της εξίσωσης Stokes:
α = η ακτίνα του σωματιδίου (σφαίρα)
Δρ = η διαφορά πυκνότητας μεταξύ σωματιδίου και υγρού
η = το ιξώδες του υγρού (μηδενικό διατμητικό ιξώδες)
g = η επιτάχυνση λόγω βαρύτητας
φ = ο όγκος της φάσης
Η τιμή του εκθέτη είναι γενικά 4,75 για ακτίνα >1 μm και 5,25 για ακτίνα <1 μm.
Ενδεχομένως, η διασπορά μπορεί στη συνέχεια να επαναδιατυπωθεί ώστε να αποκτήσει ένα ιξώδες χαμηλής διάτμησης επαρκές για την αναστολή της διασκορπισμένης φάσης για το απαιτούμενο χρονικό διάστημα, ή εναλλακτικά να εισαχθεί μια τάση διαρροής που θα δώσει μια απόκριση σαν στερεό σε μεγάλο χρονικό διάστημα.
Είναι σημαντικό κατά τη διεξαγωγή μιας δοκιμής ερπυσμού να παρέχεται επαρκής χρόνος για την επίτευξη σταθερής κατάστασης. Εάν όχι, τότε μπορεί να αναφερθεί πολύ χαμηλή τιμή του ιξώδους μηδενικής διάτμησης ή να γίνει λανθασμένη παραδοχή ότι το υλικό έχει ιξώδες μηδενικής διάτμησης, ενώ στην πραγματικότητα έχει τάση διαρροής. Δεδομένου ότι οι διασπορές μπορεί να παραμένουν στο ράφι αδιατάρακτα για εβδομάδες ή και μήνες, αυτό πρέπει να λαμβάνεται υπόψη σε κάθε πρωτόκολλο δοκιμής.
Αυτό το σημείωμα εφαρμογής παρουσιάζει τη μεθοδολογία και τα δεδομένα από τη δοκιμή ερπυσμού για δύο εμπορικά προϊόντα αφρόλουτρου.
Πειραματικό
- Αξιολογήθηκαν δύο εμπορικά προϊόντα αφρόλουτρου: το ένα περιείχε μόνο επιφανειοδραστική ουσία και το άλλο επιφανειοδραστική ουσία και ένα συνειρμικό πυκνωτικό.
- Οι μετρήσεις με περιστροφικό ρεόμετρο πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση ρεομέτρου Kinexus με φυσίγγιο πλάκας Peltier και σύστημα μέτρησης κώνου και πλάκας1 και με τη χρήση τυποποιημένων προκαθορισμένων ακολουθιών στο λογισμικό rSpace.
- Χρησιμοποιήθηκε μια τυποποιημένη ακολουθία φόρτωσης για να εξασφαλιστεί ότι τα δείγματα υποβλήθηκαν σε ένα συνεπές και ελεγχόμενο πρωτόκολλο φόρτωσης.
- Όλες οι ρεολογικές μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στους 25°C, εκτός εάν αναφέρεται ρητά.
- Πραγματοποιείται σάρωση πλάτους ελεγχόμενου από την τάση για τη μέτρηση του μήκους της γραμμικής ιξωδοελαστικής περιοχής (Γραμμική ιξωδοελαστική περιοχή (LVER)Στο LVER, οι εφαρμοζόμενες τάσεις δεν επαρκούν για να προκαλέσουν δομική διάσπαση (yielding) της δομής και, ως εκ τούτου, μετρούνται σημαντικές μικροδομικές ιδιότητες.LVER) και για τον προσδιορισμό της κατάλληλης τιμής τάσης που θα χρησιμοποιηθεί στην επακόλουθη δοκιμή ερπυσμού (ο προσδιορισμός της Γραμμική ιξωδοελαστική περιοχή (LVER)Στο LVER, οι εφαρμοζόμενες τάσεις δεν επαρκούν για να προκαλέσουν δομική διάσπαση (yielding) της δομής και, ως εκ τούτου, μετρούνται σημαντικές μικροδομικές ιδιότητες.LVER είναι αυτοματοποιημένος στο λογισμικό rSpace και η τιμή της τάσης που προσδιορίζεται προωθείται στο επόμενο μέρος της ακολουθίας).
- Πραγματοποιείται δοκιμή ερπυσμού στην προκαθορισμένη τιμή τάσης εντός του Γραμμική ιξωδοελαστική περιοχή (LVER)Στο LVER, οι εφαρμοζόμενες τάσεις δεν επαρκούν για να προκαλέσουν δομική διάσπαση (yielding) της δομής και, ως εκ τούτου, μετρούνται σημαντικές μικροδομικές ιδιότητες.LVER - με την επίτευξη σταθερής κατάστασης ως τελική συνθήκη (εντός καθορισμένων συνθηκών ανοχής).
- Η ανάλυση των δεδομένων πραγματοποιείται με τη χρήση της ενέργειας "Μηδενικό ιξώδες διάτμησης από δεδομένα ερπυσμού"
- Ένας υπολογιστής του νόμου Stokes στο λογισμικό εκτιμά στη συνέχεια την ταχύτητα καθίζησης των σωματιδίων, με βάση το μετρούμενο ιξώδες και τις μεταβλητές που εισάγει ο χρήστης για τα χαρακτηριστικά των σωματιδίων.
Αποτελέσματα και συζήτηση
Στο Σχήμα 3 παρουσιάζεται η απόκριση ερπυσμού για τα δύο προϊόντα αφρόλουτρου σε λογαριθμική κλίμακα. Είναι σαφές ότι τα δύο προϊόντα παρουσιάζουν παρόμοια αρχική ελαστική απόκριση, ωστόσο υπάρχουν διαφορές στην καθυστερημένη ελαστική απόκριση, όπως υποδεικνύεται από τη χρονική κλίμακα που απαιτείται για την επίτευξη σταθερής κατάστασης. Το εύρος ανοχής σταθερής κατάστασης που χρησιμοποιήθηκε σε αυτή τη δοκιμή ήταν εντός ± 1% για 60 δευτερόλεπτα. Είναι σαφές ότι το δείγμα Α εμφανίζει συμπεριφορά σταθερής κατάστασης σχεδόν αμέσως, ενώ το δείγμα Β έχει κάποια υπολειμματική ελαστικότητα.
Το σχήμα 4 δείχνει το ίδιο διάγραμμα αλλά με γραμμική κλίμακα. Αυτό διευκολύνει τη διάκριση των διαφορών στην κλίση της συμμόρφωσης σε σχέση με το χρόνο plots. Δεδομένου ότι η0 δίνεται από την αντίστροφη κλίση του τμήματος της καμπύλης σε σταθερή κατάσταση, τότε είναι σαφές ότι το δείγμα Β θα έχει υψηλότερο ιξώδες μηδενικής διάτμησης από το δείγμα Α. Οι τιμές αυτές υπολογίστηκαν αυτόματα ως μέρος της δοκιμής και βρέθηκαν να είναι 6 Pas και 12 Pas για τα δείγματα Α και Β, αντίστοιχα. Σύμφωνα με την εξίσωση 1, αυτό σημαίνει ότι το δείγμα Β θα μείωνε τον ρυθμό καθίζησης κατά έναν παράγοντα 2 για αιωρήματα ισοδύναμων σωματιδίων και κλασμάτων όγκου. Το κατά πόσον αυτές οι τιμές ιξώδους είναι επαρκείς για την επίτευξη αποτελεσματικής σταθερότητας θα εξαρτηθεί από το ειδικό μέγεθος, την πυκνότητα και τον όγκο της διεσπαρμένης φάσης, τα οποία πρέπει να προσδιοριστούν με τη χρήση ανεξάρτητων τεχνικών.
Συμπεράσματα
Η δοκιμή ερπυσμού είναι ένα αποτελεσματικό μέσο για τον προσδιορισμό του ιξώδους μηδενικής διάτμησης ενός υλικού και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση της σταθερότητας του αιωρήματος.
Σε αυτή τη δοκιμή, έχει αποδειχθεί ότι μια ποσότητα small ενός συνδετικού πηκτικού μπορεί να διπλασιάσει το ιξώδες μηδενικής διάτμησης ενός αφρόλουτρου με βάση επιφανειοδραστικές ουσίες και να μειώσει τον ρυθμό καθίζησης κατά δύο φορές (για εναιωρήματα ισοδύναμων σωματιδίων και κλασμάτων όγκου).
1Επισημαίνεταιότι μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί γεωμετρία παράλληλης πλάκας ή κυλινδρική γεωμετρία. Συνιστάται επίσης η χρήση παγίδας διαλύτη για τις δοκιμές αυτές, καθώς η εξάτμιση του διαλύτη (π.χ. νερό) γύρω από τα άκρα του συστήματος μέτρησης μπορεί να ακυρώσει τη δοκιμή, ιδίως όταν εργάζεται σε υψηλότερες θερμοκρασίες.