Introduzione
Quando i materiali viscoelastici vengono deformati, subiscono una deformazione tridimensionale, che può essere descritta attraverso un tensore (3x3) (vedi Figura 1).
Il tensore contiene tre sollecitazioni normali, σxx, σyy, σzz. Gli altri sei tensori sono sollecitazioni di taglio. Se il comportamento viscoso domina (cioè se il fluido scorre), allora c'è solo una componente di sforzo di taglio e le altre possono essere ignorate.
La prima differenza di sforzo normale può essere definita come:
Dove σxx è la sollecitazione che agisce nella direzione del taglio applicato e σyy è la sollecitazione che agisce nella direzione della forza normale. In un esperimento reologico, la spinta verso l'alto sulla geometria e sul cuscinetto è la forza normale (che è in direzione assiale). Le differenze di sforzo normale sono solitamente più dipendenti dalla velocità di taglio rispetto allo sforzo di taglio e possono mostrare aumenti significativi con l'aumento della velocità di taglio.
Oltre a N1, possiamo definire anche il primo coefficiente di sforzo normale, che può essere considerato un equivalente viscoelastico della viscosità e dipende dalla velocità di taglio ý secondo la seguente equazione.
Le differenze di sforzo normale sono associate a effetti non lineari e sono il risultato della microstruttura sottostante che diventa anisotropa nelle condizioni di flusso. Effetti reologici normali come l'effetto Weissenberg o "rodclimbing", l'effetto "die-swell" o "post-extrusion swell", ecc.
large Una gamma di prodotti, tra cui fusioni di polimeri, soluzioni, sistemi di tensioattivi ed emulsioni, può presentare tensioni normali. Nella maggior parte dei casi, le tensioni normali sono positive, ma in alcuni casi sono state segnalate anche tensioni normali negative, ad esempio nei gel lamellari.
La geometria migliore da utilizzare per misurare correttamente la prima differenza di sforzo normale è quella a cono e piastra, perché offre una velocità di taglio costante su tutto il campione e la spinta verso l'alto è dovuta solo a N1.
Sperimentale
- È stato valutato il comportamento visco-elastico non lineare di un lavaggio per il corpo.
- Le misure al reometro rotazionale sono state effettuate utilizzando un reometro Kinexus con una cartuccia a piastra di Peltier e un sistema di misura a piastra conica1, e utilizzando sequenze standard preconfigurate nel software rSpace.
- È stata utilizzata una sequenza di caricamento standard per garantire che entrambi i campioni fossero sottoposti a un protocollo di caricamento coerente e controllabile.
- Tutte le misure reologiche sono state eseguite a 25°C.
- La curva di flusso è stata generata utilizzando una tabella di equilibrio delle velocità di taglio tra 0,1 e 1000 s-1 e la forza normale è stata determinata.
Risultati e discussione
La Figura 2 mostra la curva viscosità-velocità di taglio per il lavaggio del corpo. Questo prodotto può essere classificato come un liquido che si assottiglia al taglio, poiché mostra un comportamento newtoniano a basse velocità di taglio seguito da un rapido calo della viscosità al di sopra di una velocità di taglio critica. Al di sopra di questa velocità critica si verifica anche un apparente aumento della forza normale derivante da un comportamento viscoelastico non lineare causato dalla tensione nella microstruttura deformante.
Ciò è più evidente quando le sollecitazioni di taglio e le sollecitazioni normali vengono confrontate direttamente, come nella Figura 3. Questo mostra che la sollecitazione normale supera la sollecitazione di taglio nel punto in cui la sollecitazione di taglio diventa costante. Ciò mostra che lo sforzo normale supera lo sforzo di taglio nel punto in cui quest'ultimo diventa costante. Ciò corrisponde al comportamento elastico dominante del flusso e spiega perché i lavaggi per il corpo strutturati con tensioattivi appaiono "altamente elastici" e "filanti" quando vengono utilizzati. Alla fine, questo comportamento elastico dominante porterà a instabilità di flusso a velocità di taglio elevate e il campione uscirà dalla fessura di misurazione.
La Figura 4 mostra il primo coefficiente di sforzo normale ψ1 tracciato insieme alla viscosità di taglio. I due coefficienti mostrano forme simili, ma poiché ψ1 è proporzionale a ý[1], in questo caso è più basso di η e mostra un gradiente più ripido. Il confronto tra ψ1 o N1 e la viscosità per i materiali viscoelastici può essere utile, soprattutto se il materiale è altamente viscoelastico e l'applicazione o il processo in cui il materiale viene utilizzato può generare tensioni nelle linee di flusso.
Conclusione
Il comportamento viscoelastico non lineare di un materiale Non newtonianoUn fluido non newtoniano è un fluido che presenta una viscosità che varia in funzione della velocità di taglio o dello sforzo di taglio applicato.non newtoniano può essere determinato misurando la forza normale in funzione della velocità di taglio utilizzando un sistema di misurazione a piastra conica. È inoltre possibile calcolare la prima differenza di sforzo normale e il primo coefficiente di sforzo normale, equivalenti rispettivamente allo sforzo di taglio e alla viscosità di taglio.
1Si prega dinotare che il test deve essere effettuato con un sistema di misurazione a piastra conica.