Johdanto
Kun viskoelastisia materiaaleja deformoidaan, ne kokevat kolmiulotteisen muodonmuutoksen, joka voidaan kuvata (3x3) tensorin avulla (ks. kuva 1).
Tensori sisältää kolme normaalijännitystä σxx, σyy ja σzz. Muut kuusi tensoria ovat leikkausjännityksiä. Jos viskoosinen käyttäytyminen on hallitsevaa (eli jos neste virtaa), on vain yksi leikkausjännityskomponentti ja muut voidaan jättää huomiotta.
Ensimmäinen normaalijännitysero voidaan määritellä seuraavasti:
Jossa σxx on leikkaussuunnassa vaikuttava jännitys ja σyy on normaalivoiman suunnassa vaikuttava jännitys. Reologisessa kokeessa geometriaan ja laakeriin kohdistuva ylöspäin suuntautuva työntövoima on normaalivoima (joka on akselisuunnassa). Normaalijännityserot ovat yleensä leikkausnopeudesta riippuvaisempia kuin leikkausjännitys, ja ne voivat kasvaa merkittävästi leikkausnopeuden kasvaessa.
N1:n lisäksi voidaan määritellä myös ensimmäinen normaalijännityskerroin, jota voidaan pitää viskositeettia vastaavana viskositeettikertoimena ja joka riippuu leikkausnopeudesta ý seuraavan yhtälön mukaisesti.
Normaalijännityserot liittyvät epälineaarisiin vaikutuksiin ja ovat seurausta siitä, että taustalla oleva mikrorakenne muuttuu anisotrooppiseksi virtausolosuhteissa. Normaalit reologiset vaikutukset, kuten Weissenbergin vaikutus tai "sauvakiipeily", "die-swell" tai "ekstruusiota seuraava paisuminen" jne.
large Monissa tuotteissa, kuten polymeerisuloissa, liuoksissa, pinta-aktiivisissa ainejärjestelmissä ja emulsioissa, voi esiintyä normaalijännityksiä. Useimmissa tapauksissa normaalijännitykset ovat positiivisia, mutta joissakin tapauksissa on raportoitu myös negatiivisia normaalijännityksiä, esim. lamelligeeleissä.
Paras geometria ensimmäisen normaalijännityseron oikeaan mittaamiseen on kartio- ja levygeometria, koska se tarjoaa tasaisen leikkausnopeuden koko näytteessä ja ylöspäin suuntautuva työntövoima johtuu vain N1:stä.
Kokeellinen
- Vartalopesuaineen epälineaarista viskoelastista käyttäytymistä arvioitiin.
- Pyörimisreometrimittaukset tehtiin Kinexus-reometrillä, jossa oli Peltier-levypatruuna ja jossa käytettiin kartiolevymittausjärjestelmää1, ja käyttäen rSpace -ohjelmiston vakiomuotoisia valmiiksi määritettyjä sekvenssejä.
- Vakioidulla lataussekvenssillä varmistettiin, että molempiin näytteisiin sovellettiin johdonmukaista ja hallittavissa olevaa latausprotokollaa.
- Kaikki reologiset mittaukset tehtiin 25 °C:ssa.
- Virtauskäyrä luotiin käyttämällä tasapainotaulukkoa leikkausnopeustestin leikkausnopeuksista 0,1 ja 1000 s-1 välillä ja määritettiin normaalivoima.
Tulokset ja keskustelu
Kuvassa 2 esitetään vartalopesuaineen viskositeetti-leikkausnopeuskäyrä. Tämä tuote voidaan luokitella leikkausohenteiseksi nesteeksi, koska se käyttäytyy newtonilaisesti alhaisilla leikkausnopeuksilla, minkä jälkeen viskositeetti laskee nopeasti kriittisen leikkausnopeuden yläpuolella. Tämän kriittisen leikkausnopeuden yläpuolella myös normaalivoima kasvaa, mikä johtuu epälineaarisesta viskoelastisesta käyttäytymisestä, joka johtuu deformoituvan mikrorakenteen jännityksestä.
Tämä käy selvemmin ilmi, kun leikkausjännityksiä ja normaalijännityksiä verrataan suoraan toisiinsa, kuten kuvassa 3. Tämä osoittaa, että normaalijännitys ylittää leikkausjännityksen siinä kohdassa, jossa leikkausjännitys muuttuu vakioksi. Tämä vastaa kimmoisaa virtauskäyttäytymistä ja selittää, miksi pinta-aktiivisella aineella strukturoidut vartalopesuaineet vaikuttavat "erittäin kimmoisilta" ja "jänteviltä" käytössä. Lopulta tämä kimmoinen käyttäytyminen johtaa virtauksen epävakauteen suurilla leikkausnopeuksilla ja näyte kiipeää ulos mittausraosta.
Kuvassa 4 esitetään ensimmäinen normaalijännityskerroin ψ1 ja leikkausviskositeetti. Nämä kaksi kerrointa ovat samankaltaisia, mutta koska ψ1 on verrannollinen ý[1]:een, se on tässä tapauksessa pienempi kuin η ja sen kaltevuus on jyrkempi. Viskoelastisten materiaalien kohdalla ψ1:n tai N1:n sekä viskositeetin vertailu voi olla hyödyllistä, erityisesti jos materiaali on erittäin viskoelastista ja jos sovelluksessa tai prosessissa, jossa materiaalia käytetään, syntyy todennäköisesti virtaviivoihin jännityksiä.
Päätelmä
Ei-newtonilaisen materiaalin epälineaarinen viskoelastinen käyttäytyminen voidaan määrittää mittaamalla normaalivoima leikkausnopeuden funktiona leikkausnopeuden avulla kartiolevy-mittausjärjestelmällä. Ensimmäinen normaalijännitysero ja ensimmäinen normaalijännityskerroin, jotka vastaavat vastaavasti leikkausjännitystä ja leikkausviskositeettia, voidaan myös laskea.
1Huomaa, että testaus on tehtävä kartiolevyjen mittausjärjestelmällä.