はじめに
ネットワーク形成ポリマー、界面活性剤メソ相、濃縮エマルションなどの多くの複雑な流体は、加えられた応力が降伏応力として知られるある臨界値を超えるまで流動しません。このような挙動を示す材料は、降伏流動挙動を示すと言われています。従って、降伏応力は、試料が流動し始めるまでに加えなければならない応力として定義されます。降伏応力以下では試料は弾性的に変形し（バネを伸ばすように）、降伏応力を超えると試料は液体のように流動します。
降伏応力を持つほとんどの流体は、系の全容積に及ぶ構造骨格と考えることができます。骨格の強度は、分散相の構造とその相互作用によって支配されます。通常、連続相は粘度が低いのですが、分散相の体積分率が高いと粘度が1000倍になり、静止状態で固体のような挙動を示すようになります。
降伏挙動を示す複雑な流体を、0.01～0.1s-1の範囲、臨界ひずみ以下の低いせん断速度でせん断すると、系は加工硬化を受ける。これはソリッドライクな挙動に特徴的で、弾性要素がせん断場で引き伸ばされることに起因する。このような弾性要素が臨界ひずみに近づくと、構造が破壊され始め、せん断減粘（ひずみ軟化）とそれに続く流動が起こります。これは、降伏応力に等しいせん断応力のピーク値と一致します。これを図1に示します。
降伏応力は、試料が流動し始めるまでに加えなければならない応力として定義されます。
通常、これらの試験では、材料の時間緩和特性を考慮するために低いせん断速度が採用されるが、関心のある用途に応じて異なるせん断速度を採用することもできる。吐出のような高速プロセスは短い時間スケールで発生するため、高いせん断速度に対応する一方、沈降/クリーミングに対する安定性は長い時間にわたって発生するため、低いせん断速度で評価するのが適しています。降伏応力は一般的に時間に依存する特性であるため、測定値は異なる可能性があります。しかし、このような試験では0.01 s-1のせん断速度が一般的に使用されており、クリープ試験[1]などの他の降伏応力測定方法と良い一致を示すことが分かっています。
このアプリケーションノートでは、ボディローションの応力成長試験の方法とデータを示します。
実験的
- 分析には市販のボディローションを使用しました。
- 回転型レオメータによる測定は、ペルチェプレートカートリッジと40 mm粗面化平行平板測定システム(ジオメトリ表面での試料スリップを回避するため)2を備えたKinexusレオメータを使用し、rSpace ソフトウェアの標準設定済みシーケンスを利用して行いました。
- 平行平板形状のせん断位置は、降伏開始時の応力を測定するため、rSpace ソフトウェア（形状データベースを使用）で 100%に設定した。
- 試料に一貫した制御可能な荷重プロトコルを確実に適用するため、標準荷重シーケンスを使用した。
- 0.01s-1のせん断速度で1回のせん断速度試験を実施し、時間の関数としての応力変化を測定した。
- データは、降伏応力を決定するためにピーク解析を用いて分析された。
- レオロジー測定はすべて25℃で行った。
結果と考察
図 2 は、ボディローション試料の応力対時間曲線を示しています。応力はもともと、ひずみが増加するにつれて蓄積し、降伏応力に等しい臨界ひずみでピーク値に達します。
表 1: ボディローション試料の応力進化曲線からのピーク分析結果
| 試料名 | ピュアボディローション |
|---|---|
| 実験名 | 応力成長による降伏応力の測定 |
| 作用名 | 降伏応力解析 ポイントインデックス |
| ポイント指数 | 1 |
| せん断応力 (Pa) | 75.42 |
せん断粘度 (Pas) | 7.53E+003 |
このピーク値はピーク分析から自動的に決定され、表 1 に示すように表形式でrSpace ソフトウェアに報告される。このボディローションについて報告された降伏応力値は 75.4 Pa であり、これは約 0.5 (50%) のひずみで発生することがわかりました。
冒頭で述べたように、材料によっては降伏応力の測定値がせん断速度に依存する場合があります。このような場合、構造が緩和する時間が短いため、せん断速度が高いほど高い降伏応力が観察されます。
例えば、同じボディローションについて、0.01 s-1ではなく 0.1 s-1のせん断速度で同じ応力成長試験を行ったところ、降伏応力は 82 Pa となりました。
結論
応力成長は、材料の降伏応力を測定するための迅速かつ正確な試験です。しかし、比較試験には一定のせん断速度を採用することが重要です。せん断速度が異なると、試験する材料の緩和挙動によって結果が異なることがあるからです。
ご注意ください
コーン・プレートまたはパラレル・プレート形状で試験を実施することができ、large 粒径の分散液やエマルションには後者が望ましい。このような材料タイプでは、ジオメトリー表面でのスリップに関連するアーティファクトを避けるため、鋸歯状ジオメトリーまたは粗面化ジオメトリーの使用も必要となる場合がある。