Bevezetés
Amikor strukturált folyadékokon - különösen szuszpenziókon, emulziókon vagy habokon - nyírási reológiai méréseket végeznek, nagy a valószínűsége annak, hogy a mérést befolyásolhatja a "falcsúszás" néven ismert jelenség. A falcsúszás általában a diszpergált fázisnak a geometriai falak közelében történő helyi fogyatkozásából ered, ami a felszínen gyakorlatilag egy kenőréteget képez. Ennek következtében az ömlesztett reológiai tulajdonságok már nem mérhetők pontosan, ami a valódi viszkozitás alulbecsléséhez vezet.
Hasonló hatás figyelhető meg a szilárd anyaghoz hasonló anyagok mérésekor, amikor a minta és a fal között nincs elegendő súrlódás ahhoz, hogy az alkalmazott feszültséget elviselje.
A falcsúszás számos módon ellensúlyozható a rotációs reométerrel végzett vizsgálatok során, leginkább érdesített vagy fogazott geometriák alkalmazásával, amelyek a geometria mozgását hatékonyan átviszik a minta tömegébe, és így maximalizálják a minta-minta érintkezést a minta-fal kölcsönhatások rovására. A csésze- és bóbuszrendszerek esetében lapátok és fogazott geometriák is alkalmazhatók.
A 2. ábra a csúszás következményét mutatja egy koncentrált részecskeszuszpenzió esetében, sima párhuzamos lemezek segítségével mérve. Az áramlási görbén látható "kutyaláb" a falcsúszás ismert jellemzője, amely ebben az esetben a fogazott lemezek használatával nagyrészt kiküszöbölhető.
A falcsúszás finomabb megjelenése esetén kevésbé könnyű megerősíteni a jelenlétét, hacsak nem végeznek méréseket sima és fogazott vagy érdesített lemezekkel, bár sok esetben előfordulhat, hogy a felhasználónak nem áll rendelkezésére mindkét geometriatípus az összehasonlításhoz.
Ilyen esetekben a csúszás bizonyítékait a különböző hézagoknál végzett feszültségvezérelt mérésekkel lehet megszerezni. Ha csúszás történik, a Vs csúszási sebesség csak az alkalmazott σ nyírófeszültségtől függ, a hézagtól nem. Ezzel szemben a mintán keresztüli sebességkülönbség, amelyet a nyírási sebesség kiszámításához használnak, mind a hézagtól, mind a nyírófeszültségtől függ. Így a h rés változtatásával és a σ feszültség állandó értéken tartásával az 1. egyenlet segítségével meghatározható a csúszási sebesség és a valódi nyírási sebesség.
V a felső lemez sebessége
-γapp a mért nyírási sebesség
-γ a valódi nyírási sebesség
Ez úgy történik, hogy a mért -γapp sebességet 1/h ellenében ábrázoljuk, aminek egy egyenes egyenest kell eredményeznie, amelynek meredeksége 2Vs és metszéspontja γ-.
Néhány esetben negatív értékeket figyeltek meg a valódi nyírási sebességre vonatkozóan, és ezeket a terhelési hibáknak, a hézag pontosságának és a hézagtól függő anyagtulajdonságoknak tulajdonították. Következésképpen előnyösebb nagyobb hézagokkal dolgozni, ahol az ilyen hibák minimálisra csökkennek.
Kísérleti
- Ebben a kísérletben egy testápolót és egy tusfürdőt vizsgáltak a falcsúszás mértékének meghatározására reológiai mérés során.
- A rotációs reométeres méréseket Peltier-lemezkazettával és érdesített párhuzamos lemezes mérőrendszerrel1 ellátott Kinexus rotációs reométerrel végeztük, az rSpace szoftverben előre konfigurált szabványos szekvenciákat használva.
- Egy szabványos terhelési szekvenciát használtunk annak biztosítására, hogy mindkét mintát egységes és ellenőrizhető terhelési protokollnak vesszük alá.
- Minden reológiai mérést 25°C-on végeztünk.
- Az előre beállított szekvencia lehetővé tette, hogy a méréseket 1,2 és 0,9 mm közötti különböző hézagoknál egymás után végezzük el, 50 Pa állandó feszültséget alkalmazva a bőrkrém esetében és 10 Pa-t a tusfürdőgél esetében.
- A mért nyírási sebességet ezután automatikusan ábrázolták a fordított rés függvényében, és lineáris regressziós modellt illesztettek hozzá. A csúszási sebességet és a valódi nyírási sebességet a gradiensből, illetve a metszéspontból becsültük.
Eredmények és vita
A 3. ábra a nyírási viszkozitás és a rés függvényében készült ábrákat mutatja. Míg a tusfürdőgél viszonylag állandó viszkozitást mutat minden résnél, addig a bőrkrém enyhe gradienst mutat, kisebb réseknél alacsonyabb viszkozitást, ami a falcsúszásnak tulajdonítható. A csúszási sebesség becsléséhez a mért nyírási sebességet az 1. egyenletnek megfelelően a rés inverz függvényében ábrázoltuk. Az adatokra lineáris modellillesztést (y = mx+ c) alkalmaztunk, a görbe gradiensének értéke 2Vs, a metszéspont pedig a valódi nyírási sebességgel egyenlő.
A bőrkrém esetében a csúszási sebességet 1,3 mm/s-ra, a valódi nyírási sebességet pedig 1,016 s-1-re becsülték. Ez jóval alacsonyabb, mint a mért (látszólagos) 3-4 s-1 közötti nyírási sebesség értékek, ami jelentős mértékű falcsúszásra utal. Következésképpen a jövőbeni vizsgálatokhoz ajánlatos lenne érdesített vagy fogazott lemezeket használni ehhez a mintához.
A zuhanyzselé esetében a csúszási sebességet mindössze 0,08 mm/s-ra becsülték, 0,68 s-1 valós nyírási sebességgel, szemben a körülbelül 0,76 s-1 látszólagos értékkel. Ez a különbség a vizsgálathoz kapcsolódó valószínű hibatartományon belül van, és ezért a tusfürdőgélről úgy tekinthető, hogy nem mutat csúszást ezen mérési körülmények között.
Következtetés
Egy tusfürdőt és egy bőrkrémet vizsgáltak különböző réseken, hogy felmérjék a csúszási sebességet a fal és a minta határfelületén. A bőrkrém jelentős falcsúszást mutatott, míg a tusfürdőgél esetében ez elhanyagolható volt. Ez a vizsgálat tehát felhasználható a csúszás mértékének becslésére egy adott anyag és vizsgálati feltétel esetében, és jelzi, hogy szükség van-e érdesített vagy profilozott geometriák alkalmazására.
Kérjük, vegye figyelembe...
hogy a vizsgálatokat sima, párhuzamos lemezgeometriájú kombinációval kell elvégezni.