Johdanto
Monet monimutkaiset nesteet, kuten verkostomaiset polymeerit, pinta-aktiiviset mesofaasit ja konsentroidut emulsiot, eivät virtaa ennen kuin jännitys ylittää tietyn kriittisen arvon, joka tunnetaan nimellä MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.myötöjännitys. Materiaaleilla, jotka käyttäytyvät näin, sanotaan olevan myötävirtauskäyttäytyminen. MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.Myötöjännitys määritellään siis jännitykseksi, joka näytteeseen on kohdistettava, ennen kuin se alkaa virrata. Myötörajan alapuolella näyte deformoituu elastisesti (kuten jousen venytys), myötörajan yläpuolella näyte virtaa kuin neste.
Useimpia nesteitä, joilla on myötöraja, voidaan pitää rakenteellisena luurankona, joka ulottuu koko järjestelmän tilavuuden yli. Rungon lujuus määräytyy dispergoituneen faasin rakenteen ja sen vuorovaikutusten perusteella. Tavallisesti jatkuvan faasin viskositeetti on alhainen, mutta dispersoidun faasin suuret tilavuusosuudet voivat kuitenkin nostaa viskositeetin tuhatkertaiseksi ja saada aikaan kiinteän kaltaisen käyttäytymisen levossa.
Kun kompleksista nestettä, jolla on myötökäyttäytymistä, leikataan pienillä leikkausnopeuksilla, jotka ovat välillä 0,01-0,1 s-1 ja alle sen kriittisen muodon, systeemi kovettuu. Tämä on ominaista kiinteän aineen kaltaiselle käyttäytymiselle ja johtuu siitä, että elastiset elementit venyvät leikkauskentässä. Kun tällaiset elastiset elementit lähestyvät kriittistä venymää, rakenne alkaa hajota, mikä aiheuttaa leikkausohentumista (venymän pehmenemistä) ja sitä seuraavaa virtausta. Tämä osuu yhteen leikkausjännityksen huippuarvon kanssa, joka on yhtä suuri kuin myötöraja. Tämä on esitetty kuvassa 1.
MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.Myötöjännitys määritellään jännitykseksi, joka näytteeseen on kohdistettava ennen kuin se alkaa virrata.
Yleensä näissä testeissä käytetään pientä leikkausnopeutta materiaalin aikarelaksaatio-ominaisuuksien huomioon ottamiseksi, vaikka eri leikkausnopeuksia voidaan käyttää kiinnostavan sovelluksen mukaan. Nopeat prosessit, kuten annostelu, tapahtuvat lyhyessä ajassa, mikä vastaa suurempia leikkausnopeuksia, kun taas sedimentaation/vaahtoamisen stabiilisuus tapahtuu pidemmän ajan kuluessa, ja sitä voidaan arvioida paremmin pienemmillä leikkausnopeuksilla. Koska myötöraja on yleensä ajasta riippuvainen ominaisuus, mitatut arvot voivat olla erilaisia. Tällaisessa testissä käytetään kuitenkin yleisesti leikkausnopeutta 0,01 s-1, ja sen on todettu antavan hyvän yhdenmukaisuuden muiden myötöjännitysmenetelmien, kuten virumiskokeiden, kanssa [1].
Tässä sovellusmuistiossa esitellään vartalovoiteen jännityksen kasvutestiä koskevat menetelmät ja tiedot.
Kokeellinen
- Analyysia varten valittiin kaupallinen vartalovoide.
- Pyörimisreometrimittaukset tehtiin Kinexus-reometrillä, jossa oli Peltier-levypatruuna ja 40 mm:n karhennettu rinnakkaislevyjen mittausjärjestelmä (näytteen liukumisen välttämiseksi geometrian pinnoilla)2 ja jossa käytettiin vakiomuotoisia, valmiiksi konfiguroituja sekvenssejä rSpace -ohjelmistossa.
- Rinnakkaislevygeometrian leikkausasento asetettiin 100 prosenttiin rSpace -ohjelmistossa (geometriatietokannan avulla), jotta jännitys mitattaisiin myötötaipumuksen alkamishetkellä.
- Käytettiin vakiomuotoista kuormitussekvenssiä, jotta varmistettiin, että näytteeseen sovellettiin johdonmukaista ja kontrolloitavaa kuormitusprotokollaa.
- Yksittäinen leikkausnopeuskoe suoritettiin leikkausnopeudella 0,01 s-1, ja jännityksen kehittyminen ajan funktiona mitattiin.
- Tiedot analysoitiin käyttämällä huippuanalyysiä myötöjännityksen määrittämiseksi.
- Kaikki reologiset mittaukset tehtiin 25 °C:ssa.
Tulokset ja keskustelu
Kuvassa 2 esitetään vartalovoidenäytteen jännitys-aikakäyrä. Jännitys kasvaa alun perin, kun rasitusta kasvatetaan, ja saavuttaa huippuarvon kriittisessä rasituksessa, joka on yhtä suuri kuin myötöraja.
Taulukko 1: Vartalovoidenäytteen jännityksen kehittymiskäyrän huippuanalyysin tulokset
| Näyte Kuvaus | Puhdas vartalovoide |
|---|---|
| Kokeen nimi | myötöjännityksen määrittäminen jännityksen kasvun avulla |
| Toimenpiteen nimi | myötöjännitysanalyysi Pisteindeksi |
| Pisteindeksi | 1 |
| Leikkausjännitys (Pa) | 75.42 |
Leikkausviskositeetti (Pas) | 7.53E+003 |
Tämä piikkiarvo määritetään automaattisesti piikkianalyysistä ja ilmoitetaan taulukkomuodossa rSpace -ohjelmistossa taulukon 1 mukaisesti. Vartalovoiteen ilmoitettu myötöraja on 75,4 Pa, ja sen todettiin esiintyvän noin 0,5 prosentin (50 %) venymässä.
Kuten johdannossa mainittiin, joillakin materiaaleilla mitattu myötöraja voi olla leikkausnopeudesta riippuvainen, erityisesti silloin, kun rakenne relaksoituu merkittävästi ajan myötä. Näissä tapauksissa suurempi myötöraja havaitaan suuremmilla leikkausnopeuksilla, koska rakenteella on vähemmän aikaa relaksoitua.
Esimerkiksi samalle vartalovoiteelle suoritettu sama jännityksen kasvukoe, jossa leikkausnopeus oli 0,01 s-1 sijasta 0,1 s-1, antoi myötöjännitykseksi 82 Pa.
Päätelmä
Jännityksen kasvu on nopea ja tarkka testi materiaalin myötöjännityksen määrittämiseksi. Vertailukokeissa on kuitenkin tärkeää käyttää tasaista leikkausnopeutta, sillä eri leikkausnopeudet voivat antaa erilaisia tuloksia testattavan materiaalin relaksaatiokäyttäytymisestä riippuen.
Huomaa ...
että testaus voidaan tehdä kartio- ja levy- tai rinnakkaislevygeometrialla - jälkimmäistä käytetään mieluummin dispersioissa ja emulsioissa, joiden hiukkaskoko on large. Tällaiset materiaalityypit saattavat myös vaatia hammastettujen tai karhennettujen geometrioiden käyttöä, jotta vältetään geometrian pinnalla tapahtuvaan liukumiseen liittyvät artefaktat.