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 τα ελαστικά στοιχεία που τεντώνονται στο πεδίο διάτμησης. Όταν τα εν λόγω 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. Συχνά χρησιμοποιείται μια ράμπα διατμητικής τάσης, καθώς είναι ένα εύκολο και γρήγορο μέσο προσδιορισμού της τάσης διαρροής, ωστόσο μια πιο ακριβής μέθοδος είναι η εκτέλεση σειράς δοκιμών ερπυσμού και η αναζήτηση αλλαγών στην κλίση της καμπύλης συμμόρφωσης ως προς το χρόνο [1].
Ανάλογα με τη φύση του υλικού που δοκιμάζεται, η απόκριση σε ερπυσμό μπορεί να είναι αρκετά διαφορετική, όπως απεικονίζεται στο Σχήμα 1.
Δεδομένου ότι η πραγματική μεταβολή της παραμόρφωσης εξαρτάται από την εφαρμοζόμενη τάση, συνηθίζεται να μιλάμε για τη συμμόρφωση και όχι για την παραμόρφωση. Η διατμητική συμμόρφωση σε ερπυσμό (J) μπορεί να προσδιοριστεί από την προκαθορισμένη διατμητική τάση (σ) και την προκύπτουσα παραμόρφωση (γ) μέσω:
Χρησιμοποιώντας αυτή την έννοια, οι καμπύλες ερπυσμού που παράγονται με διαφορετικές τάσεις μπορούν να συγκριθούν άμεσα. Όλες οι καμπύλες J(t) επικαλύπτονται μεταξύ τους ανεξάρτητα από την εφαρμοζόμενη τάση, εφόσον η τάση βρίσκεται εντός της γραμμικής ιξωδοελαστικής περιοχής. Όταν το κριτήριο αυτό δεν πληρούται πλέον, το υλικό θεωρείται ότι έχει υποχωρήσει. Αυτό απεικονίζεται στο Σχήμα 2, από το οποίο μπορεί να συναχθεί για το υπό δοκιμή δείγμα ότι η τάση διαρροής είναι μεταξύ 3 και 4 Pa, δεδομένου ότι στα 4 Pa η καμπύλη δεν ακολουθεί πλέον το ίδιο προφίλ. Το παρόν σημείωμα εφαρμογής παρουσιάζει τη μεθοδολογία και τα δεδομένα από δοκιμές πολλαπλού ερπυσμού για μια ενυδατική λοσιόν.
Πειραματικό
- Ως δείγμα υπό αξιολόγηση χρησιμοποιήθηκε μια ενυδατική λοσιόν του εμπορίου.
- Οι μετρήσεις με περιστροφικό ρεόμετρο πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση ρεομέτρου Kinexus με φυσίγγιο πλάκας Peltier και σύστημα μέτρησης κώνου και πλάκας2 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 σειρά δοκιμών ερπυσμού σε επτά διαφορετικές εφαρμοζόμενες τάσεις μεταξύ 30 Pa και 66 Pa.
- Κάθε δοκιμή ερπυσμού διακόπηκε μετά από καθορισμένο χρόνο (120 δευτερόλεπτα) και στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε δοκιμή αποκατάστασης ίσου χρόνου μεταξύ των δοκιμών ερπυσμού.
- Όλες οι ρεολογικές μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στους 25°C, εκτός αν αναφέρεται ρητά.
Αποτελέσματα και συζήτηση
Το Σχήμα 3 συγκρίνει τη συμμόρφωση σε ερπυσμό (J) με το χρόνο και στις επτά τάσεις. Κάτω από τα 42 Pa, οι καμπύλες συμμόρφωσης επικαλύπτονται και δεν φαίνεται να υπάρχει αύξηση της συμμόρφωσης με το χρόνο, γεγονός που υποδηλώνει ότι δεν υπάρχει ροή κάτω από αυτή την τάση, δηλαδή το υλικό συμπεριφέρεται ως ιξωδοελαστικό στερεό.
Στα 48 Pa, παρατηρείται μια αξιοσημείωτη αλλαγή στην κλίση που υποδηλώνει χρονικά εξαρτώμενη συμπεριφορά και συνεπώς ιξώδη ροή. Αυτό φαίνεται ίσως πιο καθαρά στο Σχήμα 4, το οποίο δείχνει την τελική συμμόρφωση σε κάθε τάση μετά τη δοκιμή ερπυσμού 120 δευτερολέπτων. Από το τελευταίο διάγραμμα συνάγεται ότι το προϊόν γαλακτώματος έχει τάση διαρροής μεταξύ 42 και 48 Pa.
Για να επιτευχθεί μια ακριβέστερη εκτίμηση της τάσης διαρροής, θα ήταν απαραίτητο να επαναληφθεί η δοκιμή με small σταδιακές αυξήσεις της τάσης μεταξύ αυτών των δύο τιμών και να αξιολογηθεί με παρόμοιο τρόπο.
Συμπέρασμα
Για την ενυδατική λοσιόν που δοκιμάστηκε, η μέγιστη τάση όπου η συμμόρφωση βρίσκεται εντός της γραμμικής ιξωδοελαστικής περιοχής είναι 42 Pa, ενώ στα 48 Pa ξεπερνιέται το όριο διαρροής. Η τάση διαρροής έχει επομένως μια τιμή μεταξύ 42 Pa και 48 Pa. Για μια ακριβέστερη τιμή της τάσης διαρροής για το υλικό αυτό, απαιτούνται περαιτέρω επαναλήψεις δοκιμών εντός αυτής της στενής ζώνης τάσεων. Η δοκιμή πολλαπλού ερπυσμού για την εξαγωγή της τάσης διαρροής είναι μια ακριβής μέθοδος, αλλά μπορεί να απαιτεί πολλαπλές επαναλήψεις και σωστή ερμηνεία από τον χρήστη.
Παρακαλώ σημειώστε ...
ότι μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί γεωμετρία παράλληλης πλάκας - με τη γεωμετρία αυτή 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 τεχνουργημάτων που σχετίζονται με την ολίσθηση στην επιφάνεια της γεωμετρίας.