Bevezetés
Amikor viszkoelasztikus anyagokat deformálunk, háromdimenziós deformáción mennek keresztül, amely egy (3x3) tenzorral írható le (lásd az 1. ábrát).
A tenzor három normálfeszültséget tartalmaz, σxx, σyy, σzz. A másik hat tenzor a nyírófeszültségek. Ha a viszkózus viselkedés dominál (azaz ha a folyadék áramlik), akkor csak egy nyírófeszültség-komponens van, a többit figyelmen kívül lehet hagyni.
Az első normálfeszültség-különbség a következőképpen definiálható:
Ahol σxx az alkalmazott nyírás irányában ható feszültség, σyy pedig a normál erő irányában ható feszültség. A reológiai kísérletben a geometriára és a csapágyra ható felfelé irányuló tolóerő a normál erő (amely tengelyirányú). A normálfeszültség-különbségek általában jobban függnek a nyírási sebességtől, mint a nyírási feszültség, és a nyírási sebesség növekedésével jelentős növekedést mutathatnak.
Az N1 mellett meghatározhatjuk az első normálfeszültségi együtthatót is, amely a viszkozitás viszkoelasztikus egyenértékének tekinthető, és a következő egyenlet szerint függ a nyírási sebességtől ý.
A normálfeszültség-különbségek nemlineáris hatásokhoz kapcsolódnak, és az áramlási körülmények között a mögöttes mikroszerkezet anizotrópiává válásának következményei. Normál reológiai hatások, mint például a Weissenberg-hatás vagy a "rúdmászás", a "die-swell" vagy a "post-extrusion swell" hatás stb.
A large termékek széles skálája, beleértve a polimerolvadékokat, oldatokat, felületaktív anyagrendszereket és emulziókat, mutathat normális feszültségeket. Az esetek többségében a normálfeszültségek pozitívak, de néhány esetben negatív normálfeszültségekről is beszámoltak, pl. lamellás gélekben.
Az első normálfeszültség-különbség helyes méréséhez a legjobb geometria a kúp- és lemezgeometria, mivel ez egyenletes nyírási sebességet biztosít a minta egészén, és a felfelé irányuló tolóerő csak az N1-nek köszönhető.
Kísérleti
- Egy testmosószer nemlineáris viszkoelasztikus viselkedését értékelték.
- A rotációs reométeres méréseket Peltier-lemezes patronnal ellátott Kinexus reométerrel és kúplemezes mérőrendszerrel1, valamint az rSpace szoftverben előre konfigurált szabványos szekvenciákkal végeztük.
- Egy szabványos betöltési szekvenciát használtunk annak biztosítására, hogy mindkét minta esetében következetes és ellenőrizhető betöltési protokollt alkalmazzunk.
- Minden reológiai mérést 25°C-on végeztünk.
- Az áramlási görbét a 0,1 és 1000 s-1 közötti nyírási sebességek tesztelésének egyensúlyi táblázatával állítottuk elő, és meghatároztuk a normál erőt.
Eredmények és vita
A 2. ábra a testmosószer viszkozitás-nyírási sebesség görbéjét mutatja. Ez a termék a nyírási hígító folyadékok közé sorolható, mivel alacsony nyírási sebességnél newtoni viselkedést mutat, majd a kritikus nyírási sebesség felett gyorsan csökken a viszkozitása. E kritikus sebesség felett a normál erő is láthatóan megnő, ami a deformálódó mikroszerkezetben fellépő feszültség okozta nemlineáris viszkoelasztikus viselkedésből ered.
Ez még nyilvánvalóbb, ha a nyírófeszültségeket és a normálfeszültségeket közvetlenül összehasonlítjuk, mint a 3. ábrán. Ez azt mutatja, hogy a normálfeszültség meghaladja a nyírófeszültséget azon a ponton, ahol a nyírófeszültség állandóvá válik. Ez megfelel a rugalmas domináns áramlási viselkedésnek, és megmagyarázza, hogy a felületaktív anyagokkal strukturált testmosószerek miért tűnnek "erősen rugalmasnak" és "szálasnak" használat közben. Végül ez a rugalmas domináns viselkedés nagy nyírási sebességeknél áramlási instabilitáshoz vezet, és a minta kimászik a mérési résből.
A 4. ábra az első normálfeszültségi együtthatót ψ1 ábrázolja a nyírási viszkozitással együtt. A két együttható hasonló alakot mutat, de mivel a ψ1 arányos az ý[1]-vel, ebben az esetben alacsonyabb, mint az η, és meredekebb gradienst mutat. A ψ1 vagy N1, valamint a viszkozitás összehasonlítása viszkoelasztikus anyagok esetében hasznos lehet, különösen akkor, ha az anyag nagy viszkoelasztikus, és az alkalmazás vagy folyamat, amelyben az anyagot használják, valószínűleg feszültséget generál az áramvonalakban.
Következtetés
Egy Nem-newtoniA nem-newtoni folyadék olyan folyadék, amelynek viszkozitása az alkalmazott nyírási sebesség vagy nyírófeszültség függvényében változik.nem-newtoni anyag nemlineáris viszkoelasztikus viselkedése meghatározható a normálerőnek a nyírási sebesség függvényében történő mérésével, kúplemezes mérőrendszerrel. A nyírófeszültséggel, illetve a nyírási viszkozitással egyenértékű első normálfeszültség-különbség és első normálfeszültség-koefficiens is kiszámítható.
1Figyelem, a vizsgálatot kúplemezes mérőrendszerrel kell elvégezni.