Pendahuluan
Banyak cairan kompleks, seperti polimer pembentuk jaringan, mesofasa surfaktan, dan emulsi pekat tidak mengalir hingga tegangan yang diberikan melebihi nilai kritis tertentu, yang dikenal sebagai tegangan luluh. Bahan yang menunjukkan perilaku ini dikatakan menunjukkan perilaku aliran luluh. Oleh karena itu, tegangan luluh didefinisikan sebagai tegangan yang harus diterapkan pada sampel sebelum mulai mengalir. Di bawah tegangan luluh, sampel akan berubah bentuk secara elastis (seperti meregangkan pegas), di atas tegangan luluh sampel akan mengalir seperti cairan.
Sebagian besar cairan dengan tegangan luluh dapat dianggap sebagai kerangka struktural yang membentang di seluruh volume sistem. Kekuatan kerangka diatur oleh struktur fase terdispersi dan interaksinya. Biasanya, fase kontinu memiliki viskositas yang rendah, namun, fraksi volume yang tinggi dari fase terdispersi dapat meningkatkan viskositas hingga seribu kali lipat dan menginduksi perilaku seperti padatan saat diam. Bahan-bahan ini sering disebut bahan viskoplastik.
Suspensi terkonsentrasi dari partikel padat dalam cairan Newtonian sering kali dapat dijelaskan dengan model viskoplastik Bingham. Bahan-bahan ini sering menunjukkan tegangan luluh yang jelas diikuti oleh aliran hampir Newtonian di atas tegangan luluh. Model Bingham dapat digambarkan secara matematis sebagai:
di mana σ0 adalah tegangan luluh dan ηB adalah viskositas Bingham atau viskositas plastis. Perlu dicatat bahwa viskositas Bingham bukanlah viskositas yang sebenarnya, viskositas ini digunakan untuk menggambarkan kemiringan bagian kurva Newton.
Sebuah model alternatif untuk model Bingham adalah model Casson. Model ini memiliki semua komponen dalam persamaan Bingham yang dipangkatkan 0,5, dan akibatnya memiliki transisi yang lebih bertahap antara daerah rendemen dan Newton. Model ini cenderung lebih cocok dengan banyak bahan dibandingkan model Bingham dan banyak digunakan untuk mengkarakterisasi tinta dan cokelat pada khususnya. Persamaan Casson dapat dituliskan sebagai:
di mana σ0 adalah tegangan leleh dan ηC adalah viskositas Casson, yang berhubungan dengan viskositas laju geser tinggi.
Model tegangan luluh lainnya adalah model Herschel-Bulkley. Tidak seperti persamaan Bingham, model ini menggambarkan perilaku Non-NewtonianFluida non-Newtonian adalah fluida yang menunjukkan viskositas yang bervariasi sebagai fungsi dari laju geser atau tegangan geser yang diterapkan.non-Newtonian setelah luluh dan pada dasarnya merupakan model hukum pangkat dengan istilah tegangan luluh. Persamaan Herschel-Bulkley dituliskan sebagai berikut:
di mana K adalah konsistensi dan n adalah indeks Penipisan GeserJenis perilaku non-Newtonian yang paling umum adalah penipisan geser atau aliran pseudoplastik, di mana viskositas fluida berkurang dengan meningkatnya geseran.penipisan geser. Hal ini menggambarkan sejauh mana suatu material mengalami Penipisan GeserJenis perilaku non-Newtonian yang paling umum adalah penipisan geser atau aliran pseudoplastik, di mana viskositas fluida berkurang dengan meningkatnya geseran.penipisan geser (n<1) atau Penebalan GeserMeskipun sebagian besar suspensi dan bahan berstruktur polimer adalah penipisan geser, beberapa bahan juga dapat menunjukkan perilaku penebalan geser di mana viskositas meningkat dengan meningkatnya laju geser atau tegangan geser.penebalan geser (n>1).
Tegangan luluh didefinisikan sebagai tegangan yang harus diterapkan pada sampel sebelum mulai mengalir.
Kurva skematis tegangan geser versus laju geser untuk fluida tipe Herschel-Bulkley dan Bingham diilustrasikan pada Gambar 1. Perlu diperhatikan, kurva-kurva ini disajikan dengan menggunakan penskalaan linier, namun akan menunjukkan profil yang berbeda ketika ditampilkan pada skala logaritmik, sebagaimana kurva-kurva ini biasanya ditampilkan.
Untuk menentukan model mana yang paling tepat, perlu untuk mengukur tegangan geser stabil pada berbagai laju geser dan mencocokkan setiap model dengan data. Koefisien korelasi merupakan indikator yang baik untuk kecocokan model. Akan tetapi, rentang data yang digunakan dalam analisis dapat mempengaruhi hasil yang diperoleh karena satu model mungkin lebih cocok untuk data geser rendah dan model lainnya cocok untuk data geser tinggi.
Perlu dicatat bahwa nilai tegangan leleh yang ditentukan oleh pencocokan model sering disebut tegangan leleh dinamis yang berlawanan dengan tegangan leleh statis yang dikaitkan dengan metode lain seperti tegangan landai dan pertumbuhan tegangan1. Tegangan leleh dinamis didefinisikan sebagai tegangan minimum yang diperlukan untuk mempertahankan aliran, sedangkan tegangan leleh statis didefinisikan sebagai tegangan yang diperlukan untuk memulai aliran dan biasanya nilainya lebih tinggi. Biasanya lebih baik mengukur tegangan luluh statis ketika melihat inisiasi aliran dalam suatu material, yaitu pemompaan, sedangkan tegangan luluh dinamis mungkin lebih dapat diterapkan dalam aplikasi untuk mempertahankan atau menghentikan aliran setelah inisiasi.
Catatan aplikasi ini menunjukkan data pengujian dan metodologi penyesuaian model untuk sampel gel.
Eksperimental
- Gel rambut berbasis karbopol dipilih untuk dianalisis.
- Pengukuran rheometer rotasi dilakukan dengan menggunakan rheometer Kinexus dengan kartrid pelat Peltier dan sistem pengukuran pelat paralel 40 mm yang dikeraskan (untuk menghindari selipnya sampel pada permukaan geometri)1, dan menggunakan urutan standar yang telah dikonfigurasi sebelumnya dalam perangkat lunak rSpace.
- Urutan pemuatan standar digunakan untuk memastikan bahwa sampel tunduk pada protokol pemuatan yang konsisten dan terkendali.
- Tabel laju geser dijalankan pada rentang 0,1 s-1 hingga 100 s-1.
- Data yang terukur dicocokkan dengan menggunakan tiga model tegangan luluh yang sesuai - Bingham, Casson, dan Herschel Bulkley.
- Semua pengukuran reologi dilakukan pada suhu 25°C.
Hasil dan Pembahasan
Gambar 2 menunjukkan plot tegangan geser-laju geser (rheogram) untuk gel rambut, dan dengan data yang dilengkapi dengan model Herschel-Bulkley. Gambar 3 menunjukkan data yang sama, tetapi dilengkapi dengan model Bingham.
Tabel 1: Nilai tegangan luluh dan koefisien untuk tiga model yang sesuai
| Nama Aksi | Model Bingham | Model Herschel-Bulkley | Model Casson |
|---|---|---|---|
| Tegangan luluh (Pa) | 89.9 | 59.3 | 73.3 |
| k1 | 1.59 | 25.79 | |
| n | 0.395 | ||
| k2 | 0.474 | ||
| Koefisien korelasi | 0.9370 | 0.9998 | 0.9877 |
Jelaslah bahwa model Herschel-Bulkley lebih sesuai dengan data daripada model Bingham, sebagaimana dikonfirmasi oleh koefisien korelasi yang diberikan pada Tabel 1. Model ini juga memberikan kecocokan yang sedikit lebih baik daripada model Casson pada rentang laju geser yang diukur.
Nilai tegangan leleh juga sangat bervariasi di antara ketiga model tersebut dengan nilai Herschel-Bulkley yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan dua model lainnya. Namun, menjadi lebih spesifik tentang data yang dipilih dalam model dapat menjadi penting. Mengecualikan beberapa data geser yang lebih tinggi untuk model Casson, misalnya, akan memberikan nilai tegangan leleh yang lebih dekat dengan Herschel-Bulkley, sehingga terkadang akan lebih bermanfaat untuk mencocokkan kurva di luar urutan dengan menggunakan rentang data yang lebih kecil.
Koefisien k1, k2 dan n mewakili nilai yang berbeda berdasarkan model yang digunakan. Sebagai contoh, k1 adalah viskositas Bingham dalam model Bingham dan konsistensi dalam model Herschel-Bulkley. k2 adalah viskositas Casson dalam model Casson, dan n adalah indeks Penipisan GeserJenis perilaku non-Newtonian yang paling umum adalah penipisan geser atau aliran pseudoplastik, di mana viskositas fluida berkurang dengan meningkatnya geseran.penipisan geser dalam model Herschel-Bulkley.
Kesimpulan
Pemasangan model dapat digunakan untuk menentukan tegangan leleh fluida viskoplastik dengan analisis kurva tegangan geser-laju geser. Berbagai model tersedia termasuk Bingham, Casson, dan Herschel-Bulkley.
Herschel-Bulkley ditemukan paling baik dalam menggambarkan sifat-sifat gel rambut berbasis Carbopol yang diukur antara 0,1 dan 100 s-1, yang memberikan tegangan luluh sebesar 59,3 Pa.
1Harapdiperhatikan bahwa pengujian dapat dilakukan dengan geometri kerucut dan pelat atau pelat paralel - dengan yang terakhir lebih disukai untuk dispersi dan emulsi dengan ukuran partikel large. Jenis material tersebut mungkin juga memerlukan penggunaan geometri bergerigi atau kasar untuk menghindari artefak yang berkaitan dengan selip pada permukaan geometri.