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.
Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι για τον προσδιορισμό του ορίου διαρροής [1], κυρίως με τη χρήση δοκιμής σταθερής διάτμησης, ωστόσο μία από τις πιο ευαίσθητες μεθόδους είναι η χρήση σάρωσης με ταλαντωτικό πλάτος. Η δοκιμή αυτή περιλαμβάνει την εφαρμογή μιας αυξανόμενης τάσης ή παραμόρφωσης και την παρακολούθηση των μεταβολών του μέτρου ελαστικότητας ή/και της τάσης.
Υπάρχουν διάφοροι τρόποι ερμηνείας της τάσης διαρροής από μια σάρωση πλάτους, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1. Ορισμένοι εργαζόμενοι θεωρούν την αρχική πτώση του G' ως μέτρο του σημείου διαρροής, δεδομένου ότι αυτό αντιπροσωπεύει την έναρξη της μη γραμμικότητας και της δομικής διάσπασης, ενώ άλλοι θεωρούν ότι η διασταύρωση G'/G" είναι το σημείο διαρροής, δεδομένου ότι αυτό αντιπροσωπεύει τη μετάβαση από τη στερεή στη υγρή συμπεριφορά. Η ζώνη μεταξύ αυτών των γεγονότων αναφέρεται συχνά ως ζώνη διαρροής.
Η τάση διαρροής ορίζεται ως η τάση που πρέπει να εφαρμοστεί στο δείγμα προτού αρχίσει να ρέει.
Μια πιο πρόσφατη μέθοδος περιλαμβάνει τη μέτρηση της συνιστώσας της ελαστικής τάσης, σ' (που συνδέεται με την ελαστική δομή μέσω του G') ως συνάρτηση του πλάτους παραμόρφωσης. Η τάση διαρροής λαμβάνεται ως η μέγιστη τάση και η παραμόρφωση στο σημείο αυτό ως η τάση διαρροής (βλέπε σχήμα 2). Γενικά, η τιμή αυτή ταιριάζει κάπου μέσα στη ζώνη διαρροής και έχει αποδειχθεί ότι δίνει μια πιο αξιόπιστη μέτρηση της τάσης διαρροής που συσχετίζεται καλά με άλλες μεθόδους.
Η συχνότητα δοκιμής μπορεί μερικές φορές να επηρεάσει τη μετρούμενη τάση διαρροής ανάλογα με τη συμπεριφορά χαλάρωσης του υπό δοκιμή υλικού. Χαμηλότερες συχνότητες δίνουν καλύτερη ένδειξη των ιδιοτήτων του υλικού σε κατάσταση ηρεμίας, αλλά αυξάνουν σημαντικά το χρόνο της δοκιμής. Κατά συνέπεια, χρησιμοποιούνται συνήθως τιμές μεταξύ 0,1 και 10 Hz.
Το παρόν σημείωμα εφαρμογής παρουσιάζει τη μεθοδολογία και τα δεδομένα για έναν αριθμό δειγμάτων πηκτής.
Πειραματικό
- Αξιολογήθηκαν τα ακόλουθα δείγματα πηκτής - ένα σύστημα πολυμερούς (HASE)-επιφανειοδραστικής ουσίας, μια γέλη για τα μαλλιά και ένα υδατικό διάλυμα μαννάνης/ξανθανικού κόμμεος σε νερό.
- 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 προ-ρυθμισμένων ακολουθιών στο λογισμικό rSpace.
- Χρησιμοποιήθηκε μια τυποποιημένη ακολουθία φόρτωσης για να εξασφαλιστεί ότι τα δείγματα υπόκεινται σε ένα συνεπές και ελεγχόμενο πρωτόκολλο φόρτωσης.
- Πραγματοποιήθηκε σάρωση πλάτους ελεγχόμενης παραμόρφωσης σε συχνότητα 1 Hz και μετρήθηκαν δεδομένα για το μέτρο ελαστικότητας και την ελαστική τάση ως συνάρτηση της εφαρμοζόμενης παραμόρφωσης.
- Η τάση διαρροής για κάθε δείγμα προσδιορίστηκε από την ανάλυση κορυφής των δεδομένων ελαστικής τάσης σε σχέση με την παραμόρφωση.
- Όλες οι ρεολογικές μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στους 25°C.
Αποτελέσματα και συζήτηση
Στο Σχήμα 3 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από τις σαρώσεις πλάτους παραμόρφωσης για τα διάφορα δείγματα και στον Πίνακα 1 παρουσιάζονται οι αντίστοιχες τιμές του ορίου διαρροής και της παραμόρφωσης όπως προσδιορίστηκαν από την αυτόματη ανάλυση κορυφών.
Πίνακας 1: Τιμές της τάσης διαρροής και της παραμόρφωσης που προσδιορίζονται από την ανάλυση της ελαστικής τάσης plots
| Δείγμα Περιγραφή | Παραμόρφωση ροής | Τάση διαρροής (Pa) |
|---|---|---|
| Ζελέ μαλλιών | 0.869 | 77.3 |
| Κόμμι ξανθάνης/μαννάνη | 1.472 | 23.4 |
| Επιφανειοδραστική ουσία HASE | 0.194 | 11.1 |
Το τζελ μαλλιών έχει την υψηλότερη τάση διαρροής με μετρούμενη τιμή 77 Pa. Το σύμπλοκο κόμμεος έδωσε τάση διαρροής 23 Pa, ενώ το συνδετικό πηκτικό είχε τη χαμηλότερη τιμή 11 Pa.
Όσον αφορά την τάση διαρροής, η υψηλότερη τιμή μετρήθηκε για το σύμπλοκο κόμμεος με τιμή 1,5, υποδεικνύοντας έτσι μια πιο όλκιμη δομή. Το τζελ τρίχας έδωσε τιμή 0,87 και το συνειρμικό πηκτικό (HASE-επικαλυπτικό) τιμή 0,2, υποδεικνύοντας μια πιο εύθραυστη δομή.
Συμπέρασμα
Μια δοκιμή σάρωσης πλάτους ταλάντωσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της τάσης διαρροής και της παραμόρφωσης ενός υλικού. Η προτιμώμενη μέθοδος δοκιμής περιλαμβάνει την παρακολούθηση της ελαστικής τάσης σ' ως συνάρτηση του πλάτους παραμόρφωσης γ με την τάση διαρροής να συνάγεται ως η μετρούμενη μέγιστη τιμή του σ'. Η δοκιμή αυτή έχει χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της τάσης διαρροής και της παραμόρφωσης πολλών συστημάτων υδατικών πηκτωμάτων.
2Παρακαλείστε νασημειώσετε ότι μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί γεωμετρία παράλληλης πλάκας - με αυτή τη γεωμετρία 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 των αντικειμένων που σχετίζονται με την ολίσθηση στην επιφάνεια της γεωμετρίας.