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 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 έως 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 τέτοια ελαστικά στοιχεία πλησιάζουν την κρίσιμη παραμόρφωσή τους, η δομή αρχίζει να διασπάται προκαλώντας διατμητική λέπτυνση (strain softening) και συνακόλουθη ροή. Η τάση στην οποία συμβαίνει αυτή η καταστροφική διάσπαση του δομικού σκελετού είναι η τάση διαρροής.
Υπάρχουν διάφορες πειραματικές δοκιμές για τον προσδιορισμό της τάσης διαρροής. Μια από τις ταχύτερες και ευκολότερες μεθόδους είναι η εκτέλεση μιας σάρωσης διατμητικής τάσης και ο προσδιορισμός της τάσης στην οποία παρατηρείται μια κορυφή ιξώδους. Πριν από αυτή την αιχμή ιξώδους, το υλικό υφίσταται ελαστική παραμόρφωση. Αυτή η κορυφή αντιπροσωπεύει επομένως το σημείο στο οποίο η ελαστική δομή διασπάται (υποχωρεί) και το υλικό αρχίζει να ρέει. Αυτό φαίνεται στο σχήμα 1.
Αυτό το σημείωμα εφαρμογής παρουσιάζει τη μεθοδολογία και τα δεδομένα από μια δοκιμή ράμπας καταπόνησης για δύο προϊόντα αφρόλουτρου (πλύσης σώματος) με διαφορετικές συνθέσεις.
Η τάση διαρροής ορίζεται ως η τάση που πρέπει να εφαρμοστεί στο δείγμα προτού αρχίσει να ρέει.
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 το δείγμα υπόκειται σε ένα συνεπές και ελεγχόμενο πρωτόκολλο φόρτωσης.
- Πραγματοποιήθηκε μια ράμπα διατμητικής τάσης και 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 παρουσιάζονται οι καμπύλες ιξώδους σε σχέση με την τάση για τα δύο δείγματα τζελ ντους στη δοκιμή ράμπας τάσης. Τα δεδομένα για το Bodywash 2 δείχνουν μια σαφή κορυφή ιξώδους στη δοκιμή ράμπας καταπόνησης, ενώ τα δεδομένα για το Bodywash 1 είναι σχετικά επίπεδα. Αυτό υποδηλώνει ότι το Bodywash 2 παρουσιάζει σκλήρυνση λόγω παραμόρφωσης που σχετίζεται με το όριο διαρροής, ενώ το Bodywash 1 συμπεριφέρεται σαν υγρό με ιξώδες μηδενικής διάτμησης. Η μετρούμενη τάση διαρροής για το Bodywash 2 ήταν 4 Pa. Σε ορισμένες περιπτώσεις, τα ιξωδοελαστικά υγρά μπορεί να παρουσιάζουν μια μικρή κορυφή στο ιξώδες, παρόλο που δεν έχουν πραγματική τάση διαρροής.
Σε αυτή την περίπτωση, μπορεί να απαιτείται η διακριτική ευχέρεια του χρήστη ή εναλλακτικά η επιβεβαίωση με τη χρήση μιας εναλλακτικής δοκιμής, όπως η δοκιμή ερπυσμού ή ο πίνακας δοκιμής ρυθμού διάτμησης για την επιβεβαίωση της απουσίας ιξώδους μηδενικής διάτμησης2.
Συμπέρασμα
Δύο προϊόντα αφρόλουτρου συγκρίθηκαν με τη χρήση δοκιμής ράμπας τάσης διαρροής σε περιστροφικό ρεόμετρο. Το bodywash 2, το οποίο περιέχει ένα συνδετικό πυκνωτικό μέσο, αποδείχθηκε ότι έχει όριο διαρροής 4 Pa. Το bodywash 1 δεν παρουσίασε καμία κορυφή στο ιξώδες στη δοκιμή ράμπας τάσης και επομένως θεωρήθηκε ότι δεν έχει όριο διαρροής.
1Παρακαλείστενα σημειώσετε ότι οι δοκιμές μπορούν να πραγματοποιηθούν με γεωμετρία κώνου και πλάκας ή 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.