Εισαγωγή
Όταν τα ιξωδοελαστικά υλικά παραμορφώνονται, υφίστανται τρισδιάστατη παραμόρφωση, η οποία μπορεί να περιγραφεί μέσω ενός (3x3) τανυστή (βλέπε Σχήμα 1).
Ο τανυστής περιέχει τρεις κανονικές τάσεις, σxx, σyy, σzz. Οι άλλοι έξι τανυστές είναι διατμητικές τάσεις. Εάν κυριαρχεί η ιξώδης συμπεριφορά (δηλαδή εάν το ρευστό ρέει), τότε υπάρχει μόνο μία συνιστώσα διατμητικής τάσης και οι άλλες μπορούν να αγνοηθούν.
Η πρώτη διαφορά ορθής τάσης μπορεί να οριστεί ως εξής:
Όπου σxx είναι η τάση που ενεργεί στη διεύθυνση της εφαρμοζόμενης διάτμησης και σyy είναι η τάση που ενεργεί στη διεύθυνση της ορθής δύναμης. Σε ένα ρεολογικό πείραμα, η ανοδική ώθηση στη γεωμετρία και το έδρανο είναι η κανονική δύναμη (η οποία έχει αξονική διεύθυνση). Οι διαφορές των κανονικών τάσεων εξαρτώνται συνήθως περισσότερο από την ταχύτητα διάτμησης από ό,τι η διατμητική τάση και μπορούν να παρουσιάσουν σημαντικές αυξήσεις με την αύξηση της ταχύτητας διάτμησης.
Εκτός από το N1 μπορούμε επίσης να ορίσουμε τον πρώτο συντελεστή κανονικής τάσης, ο οποίος μπορεί να θεωρηθεί ως ιξωδοελαστικό ισοδύναμο του ιξώδους και εξαρτάται από την ταχύτητα διάτμησης ý σύμφωνα με την ακόλουθη εξίσωση.
Οι διαφορές στις κανονικές τάσεις σχετίζονται με μη γραμμικά φαινόμενα και είναι αποτέλεσμα της ανισοτροπίας της υποκείμενης μικροδομής υπό τις συνθήκες ροής. Τα κανονικά ρεολογικά φαινόμενα, όπως το φαινόμενο Weissenberg ή το φαινόμενο "αναρρίχησης ράβδων", το φαινόμενο "διόγκωσης μετά την εξώθηση", κ.λπ.
Μια σειρά προϊόντων large, συμπεριλαμβανομένων των πολυμερικών τήξεων, των διαλυμάτων, των επιφανειοδραστικών συστημάτων και των γαλακτωμάτων, μπορεί να παρουσιάσει κανονικές τάσεις. Στην πλειονότητα των περιπτώσεων, οι κανονικές τάσεις είναι θετικές, αλλά σε ορισμένες περιπτώσεις έχουν αναφερθεί και αρνητικές κανονικές τάσεις, π.χ. σε ελασματοειδείς πηκτές.
Η καλύτερη γεωμετρία που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σωστή μέτρηση της πρώτης διαφοράς ορθής τάσης είναι η γεωμετρία κώνου και πλάκας, επειδή προσφέρει σταθερό ρυθμό διάτμησης σε όλο το δείγμα και η ανοδική ώθηση οφείλεται μόνο στο Ν1.
Πειραματικό
- Αξιολογήθηκε η μη γραμμική ιξωδοελαστική συμπεριφορά ενός πλυσίματος σώματος.
- Οι μετρήσεις περιστροφικού ρεομέτρου πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση ρεομέτρου Kinexus με φυσίγγιο πλάκας Peltier και με τη χρήση συστήματος μέτρησης κωνικής πλάκας1 και με τη χρήση τυποποιημένων προκαθορισμένων ακολουθιών στο λογισμικό rSpace.
- Χρησιμοποιήθηκε μια τυποποιημένη ακολουθία φόρτωσης για να εξασφαλιστεί ότι και τα δύο δείγματα υποβλήθηκαν σε ένα συνεπές και ελεγχόμενο πρωτόκολλο φόρτωσης.
- Όλες οι μετρήσεις ρεολογίας πραγματοποιήθηκαν στους 25°C.
- Η καμπύλη ροής δημιουργήθηκε με τη χρήση πίνακα ισορροπίας δοκιμαστικών ρυθμών διάτμησης μεταξύ 0,1 και 1000 s-1 και προσδιορίστηκε η κανονική δύναμη.
Αποτελέσματα και συζήτηση
Στο Σχήμα 2 παρουσιάζεται η καμπύλη ιξώδους-ταχύτητας διάτμησης για το πλύσιμο σώματος. Το προϊόν αυτό μπορεί να χαρακτηριστεί ως υγρό που αραιώνει με διάτμηση, δεδομένου ότι παρουσιάζει νευτώνεια συμπεριφορά σε χαμηλούς ρυθμούς διάτμησης, ακολουθούμενη από ταχεία πτώση του ιξώδους πάνω από έναν κρίσιμο ρυθμό διάτμησης. Πάνω από αυτόν τον κρίσιμο ρυθμό υπάρχει επίσης μια εμφανής αύξηση της κανονικής δύναμης που προκύπτει από τη μη γραμμική ιξωδοελαστική συμπεριφορά που προκαλείται από την τάση στην παραμορφωμένη μικροδομή.
Αυτό είναι πιο εμφανές όταν οι διατμητικές και οι κανονικές τάσεις συγκρίνονται άμεσα, όπως στο Σχήμα 3. Αυτό δείχνει ότι η ορθή τάση ξεπερνά τη διατμητική τάση στο σημείο όπου η διατμητική τάση γίνεται σταθερή. Αυτό αντιστοιχεί στην ελαστική κυρίαρχη συμπεριφορά ροής και εξηγεί γιατί τα πλυσίματα σώματος με δομή επιφανειοδραστικών ουσιών εμφανίζονται "εξαιρετικά ελαστικά" και "χορδωτά" κατά τη χρήση. Τελικά, αυτή η ελαστική κυρίαρχη συμπεριφορά θα οδηγήσει σε αστάθεια ροής σε υψηλούς ρυθμούς διάτμησης και το δείγμα θα αναρριχηθεί έξω από το διάκενο μέτρησης.
Στο Σχήμα 4 παρουσιάζεται ο πρώτος συντελεστής ορθής τάσης ψ1 σε παράλληλη γραφική παράσταση με το ιξώδες διάτμησης. Οι δύο συντελεστές παρουσιάζουν παρόμοιες μορφές, αλλά επειδή ο ψ1 είναι ανάλογος του ý[1], είναι χαμηλότερος από τον η σε αυτή την περίπτωση και παρουσιάζει πιο απότομη κλίση. Η σύγκριση του ψ1 ή του Ν1 καθώς και του ιξώδους για ιξωδοελαστικά υλικά μπορεί να είναι χρήσιμη, ιδίως εάν το υλικό είναι ιδιαίτερα ιξωδοελαστικό και η εφαρμογή ή η διαδικασία στην οποία χρησιμοποιείται το υλικό είναι πιθανό να δημιουργήσει τάση στις γραμμές ροής.
Συμπέρασμα
Η μη γραμμική ιξωδοελαστική συμπεριφορά ενός μη νεβτονικού υλικού μπορεί να προσδιοριστεί με τη μέτρηση της κανονικής δύναμης ως συνάρτηση του ρυθμού διάτμησης με τη χρήση ενός συστήματος μέτρησης κωνικής πλάκας. Μπορούν επίσης να υπολογιστούν η πρώτη διαφορά ορθής τάσης και ο πρώτος συντελεστής ορθής τάσης που ισοδυναμούν με τη διατμητική τάση και το ιξώδες διάτμησης αντίστοιχα.
1Παρακαλείστενα σημειώσετε ότι οι δοκιμές πρέπει να γίνονται με ένα σύστημα μέτρησης κωνικής πλάκας.