Εισαγωγή
Πολλά πολύπλοκα ρευστά, όπως τα πολυμερή που σχηματίζουν δίκτυα, οι μεσοφάσεις επιφανειοδραστικών ουσιών και τα συμπυκνωμένα γαλακτώματα, δεν ρέουν έως ότου η εφαρμοζόμενη τάση υπερβεί μια ορισμένη κρίσιμη τιμή, γνωστή ως τάση διαρροής. Τα υλικά που παρουσιάζουν αυτή τη συμπεριφορά λέγεται ότι παρουσιάζουν συμπεριφορά ροής λόγω διαρροής. Η τάση διαρροής ορίζεται επομένως ως η τάση που πρέπει να εφαρμοστεί στο δείγμα πριν αυτό αρχίσει να ρέει. Κάτω από την τάση διαρροής, το δείγμα θα παραμορφωθεί ελαστικά (όπως το τέντωμα ενός ελατηρίου), ενώ πάνω από την τάση διαρροής το δείγμα θα ρέει σαν υγρό.
Τα περισσότερα ρευστά με τάση διαρροής μπορούν να θεωρηθούν ως ένας δομικός σκελετός που εκτείνεται σε ολόκληρο τον όγκο του συστήματος. Η αντοχή του σκελετού διέπεται από τη δομή της διασκορπισμένης φάσης και τις αλληλεπιδράσεις της. Κανονικά, η συνεχής φάση έχει χαμηλό ιξώδες, ωστόσο, υψηλά κλάσματα όγκου μιας διασκορπισμένης φάσης μπορούν να αυξήσουν το ιξώδες κατά χίλιες φορές και να προκαλέσουν συμπεριφορά που μοιάζει με στερεό σε κατάσταση ηρεμίας.
Όταν ένα σύνθετο ρευστό που παρουσιάζει συμπεριφορά διαρροής διατμηθεί σε χαμηλούς ρυθμούς διάτμησης, στο εύρος μεταξύ 0,01 - 0,1 s-1 και κάτω από την κρίσιμη παραμόρφωσή του, το σύστημα υποβάλλεται σε σκλήρυνση λόγω εργασίας. Αυτό είναι χαρακτηριστικό της στερεοειδούς συμπεριφοράς και προκύπτει από την επιμήκυνση των ελαστικών στοιχείων στο πεδίο διάτμησης. Όταν τα εν λόγω ελαστικά στοιχεία πλησιάζουν την κρίσιμη παραμόρφωσή τους, η δομή αρχίζει να διασπάται προκαλώντας διατμητική λέπτυνση (μαλάκυνση παραμόρφωσης) και επακόλουθη ροή. Αυτό συμπίπτει με μια μέγιστη τιμή της διατμητικής τάσης, η οποία είναι ίση με την τάση διαρροής. Αυτό απεικονίζεται στο σχήμα 1.
Η τάση διαρροής ορίζεται ως η τάση που πρέπει να εφαρμοστεί στο δείγμα προτού αρχίσει να ρέει.
Συνήθως, σε αυτές τις δοκιμές χρησιμοποιείται χαμηλός ρυθμός διάτμησης για να ληφθούν υπόψη οι ιδιότητες χρονικής χαλάρωσης του υλικού, αν και μπορούν να χρησιμοποιηθούν διαφορετικοί ρυθμοί διάτμησης ανάλογα με την εφαρμογή που ενδιαφέρει. Οι γρήγορες διεργασίες, όπως η διανομή, λαμβάνουν χώρα σε μικρές χρονικές κλίμακες που αντιστοιχούν σε υψηλότερους ρυθμούς διάτμησης, ενώ η σταθερότητα στην καθίζηση/κρέμαση λαμβάνει χώρα σε μεγαλύτερους χρόνους και αξιολογείται καλύτερα σε χαμηλότερους ρυθμούς διάτμησης. Δεδομένου ότι το όριο διαρροής είναι γενικά μια ιδιότητα που εξαρτάται από το χρόνο, τότε οι μετρούμενες τιμές μπορεί να είναι διαφορετικές. Ωστόσο, ένας ρυθμός διάτμησης 0,01 s-1 χρησιμοποιείται συνήθως σε μια τέτοια δοκιμή και έχει βρεθεί ότι δίνει καλή συμφωνία με άλλες μεθόδους τάσης διαρροής, όπως η δοκιμή ερπυσμού [1].
Το παρόν σημείωμα εφαρμογής παρουσιάζει τη μεθοδολογία και τα δεδομένα από μια δοκιμή αύξησης τάσης για μια λοσιόν σώματος.
Πειραματικό
- Για την ανάλυση επιλέχθηκε ένα εμπορικό προϊόν λοσιόν σώματος.
- Οι μετρήσεις με περιστροφικό ρεόμετρο πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση ρεομέτρου Kinexus με φυσίγγιο πλάκας Peltier και σύστημα μέτρησης με τραχείες παράλληλες πλάκες 40 mm (για να αποφευχθεί η ολίσθηση του δείγματος στις επιφάνειες γεωμετρίας)2 και με τη χρήση τυποποιημένων προκαθορισμένων ακολουθιών στο λογισμικό rSpace.
- Η θέση διάτμησης για τη γεωμετρία των παράλληλων πλακών ορίστηκε στο 100% στο λογισμικό rSpace (χρησιμοποιώντας τη βάση δεδομένων γεωμετρίας), ώστε να μετρηθεί η τάση κατά την έναρξη της διαρροής.
- Χρησιμοποιήθηκε μια τυποποιημένη ακολουθία φόρτισης για να εξασφαλιστεί ότι το δείγμα υποβλήθηκε σε ένα συνεπές και ελεγχόμενο πρωτόκολλο φόρτισης.
- Πραγματοποιήθηκε μια δοκιμή μονής διάτμησης με ρυθμό διάτμησης 0,01 s-1 και μετρήθηκε η εξέλιξη της τάσης σε συνάρτηση με το χρόνο.
- Τα δεδομένα αναλύθηκαν με τη χρήση ανάλυσης κορυφών για τον προσδιορισμό της τάσης διαρροής.
- Όλες οι ρεολογικές μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στους 25°C.
Αποτελέσματα και συζήτηση
Στο Σχήμα 2 παρουσιάζεται η καμπύλη τάσης σε σχέση με το χρόνο για το δείγμα λοσιόν σώματος. Η τάση αρχικά αυξάνεται καθώς αυξάνεται η τάση και φτάνει σε μέγιστη τιμή στην κρίσιμη τάση, η οποία είναι ίση με την τάση διαρροής.
Πίνακας 1: Αποτελέσματα ανάλυσης κορυφών από την καμπύλη εξέλιξης τάσης για το δείγμα λοσιόν σώματος
| Δείγμα Περιγραφή | Καθαρή λοσιόν σώματος |
|---|---|
| Όνομα πειράματος | προσδιορισμός της τάσης διαρροής με ανάπτυξη τάσεων |
| Όνομα ενέργειας | ανάλυση της τάσης αποδόσεως Δείκτης σημείου |
| Δείκτης σημείου | 1 |
| Διατμητική τάση (Pa) | 75.42 |
Ιξώδες διάτμησης (Pas) | 7.53E+003 |
Αυτή η τιμή κορυφής προσδιορίζεται αυτόματα από μια ανάλυση κορυφής και αναφέρεται στο λογισμικό rSpace σε μορφή πίνακα, όπως φαίνεται στον πίνακα 1. Η αναφερόμενη τιμή του ορίου διαρροής για αυτή τη λοσιόν σώματος είναι 75,4 Pa και διαπιστώθηκε ότι αυτό συμβαίνει σε μια τάση περίπου 0,5 (50%).
Όπως αναφέρθηκε στην εισαγωγή, για ορισμένα υλικά η μετρούμενη τάση διαρροής μπορεί να εξαρτάται από το ρυθμό διάτμησης, ιδίως όταν εμφανίζεται σημαντική δομική χαλάρωση με το χρόνο. Σε αυτές τις περιπτώσεις, θα παρατηρηθεί υψηλότερο όριο διαρροής για υψηλότερους ρυθμούς διάτμησης, δεδομένου ότι υπάρχει λιγότερος χρόνος για να χαλαρώσει η δομή.
Για παράδειγμα, η ίδια δοκιμή ανάπτυξης τάσεων που πραγματοποιήθηκε στην ίδια λοσιόν σώματος με ρυθμό διάτμησης 0,1 s-1 αντί για 0,01 s-1 έδωσε τάση διαρροής 82 Pa.
Συμπέρασμα
Η αύξηση της τάσης είναι μια γρήγορη και ακριβής δοκιμή για τον προσδιορισμό της τάσης διαρροής ενός υλικού. Είναι σημαντικό, ωστόσο, να χρησιμοποιείται σταθερός ρυθμός διάτμησης για συγκριτικές δοκιμές, δεδομένου ότι διαφορετικοί ρυθμοί διάτμησης μπορεί να δώσουν διαφορετικά αποτελέσματα ανάλογα με τη συμπεριφορά χαλάρωσης του υλικού που εξετάζεται.
Παρακαλώ σημειώστε ...
ότι η δοκιμή μπορεί να πραγματοποιηθεί με γεωμετρία κώνου και πλάκας ή με γεωμετρία παράλληλης πλάκας - με την τελευταία να προτιμάται για διασπορές και γαλακτώματα με μεγέθη σωματιδίων large. Αυτοί οι τύποι υλικών μπορεί επίσης να απαιτούν τη χρήση οδοντωτών ή τραχιών γεωμετριών για την αποφυγή αντικειμένων που σχετίζονται με την ολίσθηση στην επιφάνεια της γεωμετρίας.