Wprowadzenie
Wiele złożonych płynów, takich jak polimery tworzące sieć, mezofazy surfaktantów i skoncentrowane emulsje, nie płynie, dopóki przyłożone naprężenie nie przekroczy pewnej wartości krytycznej, znanej jako Naprężenie plastyczneGranica plastyczności jest definiowana jako naprężenie, poniżej którego nie występuje przepływ; dosłownie zachowuje się jak słabe ciało stałe w spoczynku i ciecz po ugięciu.granica plastyczności. O materiałach wykazujących takie zachowanie mówi się, że wykazują zachowanie przepływu granicy plastyczności. Granica plastyczności jest zatem definiowana jako naprężenie, które musi zostać przyłożone do próbki, zanim zacznie ona płynąć. Poniżej granicy plastyczności próbka odkształca się elastycznie (jak rozciąganie sprężyny), a powyżej granicy plastyczności próbka płynie jak ciecz.
Większość płynów z granicą plastyczności można uznać za szkielet strukturalny, który rozciąga się na całą objętość układu. Wytrzymałość szkieletu zależy od struktury fazy rozproszonej i jej interakcji. Zwykle faza ciągła ma niską lepkość, jednak wysoki ułamek objętościowy fazy rozproszonej może zwiększyć lepkość tysiąckrotnie i wywołać zachowanie podobne do ciała stałego w spoczynku.
Gdy złożony płyn, który wykazuje zachowanie plastyczne, jest ścinany przy niskich prędkościach ścinania, w zakresie od 0,01 do 0,1 s-1 i poniżej jego krytycznego odkształcenia, system jest poddawany utwardzaniu. Jest to charakterystyczne dla zachowania podobnego do ciała stałego i wynika z rozciągania elementów sprężystych w polu ścinania. Gdy takie elastyczne elementy zbliżają się do swojego krytycznego odkształcenia, struktura zaczyna się rozpadać, powodując rozrzedzenie ścinania (zmiękczenie odkształcenia) i w konsekwencji przepływ. Naprężenie, przy którym dochodzi do katastrofalnego rozpadu szkieletu strukturalnego, to Naprężenie plastyczneGranica plastyczności jest definiowana jako naprężenie, poniżej którego nie występuje przepływ; dosłownie zachowuje się jak słabe ciało stałe w spoczynku i ciecz po ugięciu.granica plastyczności.
Istnieje szereg testów eksperymentalnych służących do określania granicy plastyczności. Jedną z najszybszych i najprostszych metod jest pomiar naprężenia ścinającego i określenie naprężenia, przy którym obserwowany jest pik lepkości. Przed tym szczytem lepkości materiał ulega odkształceniu sprężystemu. Pik ten reprezentuje zatem punkt, w którym struktura sprężysta ulega rozpadowi (plastyczności), a materiał zaczyna płynąć. Jest to pokazane na rysunku 1.
Niniejsza nota aplikacyjna przedstawia metodologię i dane z testu rampy obciążeniowej dla dwóch żeli pod prysznic (do mycia ciała) o różnych formułach.
Granica plastyczności jest definiowana jako naprężenie, które musi zostać przyłożone do próbki, zanim zacznie ona płynąć.
Eksperymentalny
- Ocenie poddano dwa komercyjne żele pod prysznic; jeden zawierający tylko środek powierzchniowo czynny, a drugi zawierający środek powierzchniowo czynny i zagęszczacz asocjacyjny.
- Pomiary reometrem rotacyjnym wykonano przy użyciu reometru Kinexus z wkładem z płytką Peltiera oraz stożkowym i płytkowym systemem pomiarowym1, wykorzystując standardowe, wstępnie skonfigurowane sekwencje w oprogramowaniu rSpace.
- Zastosowano standardową sekwencję ładowania, aby zapewnić, że próbka podlegała spójnemu i kontrolowanemu protokołowi ładowania.
- Wykonano rampę naprężenia ścinającego, a dane przeanalizowano przy użyciu analizy szczytowej w celu określenia granicy plastyczności.
- Wszystkie pomiary reologiczne przeprowadzono w temperaturze 25°C.
Wyniki i dyskusja
Rysunek 2 przedstawia krzywe lepkości w funkcji naprężenia dla dwóch próbek żelu pod prysznic w teście rampy naprężeniowej. Dane dla Bodywash 2 pokazują wyraźny szczyt lepkości w teście rampy naprężeniowej, podczas gdy dane dla Bodywash 1 są stosunkowo płaskie. Sugeruje to, że Bodywash 2 wykazuje twardnienie odkształceniowe związane z granicą plastyczności, podczas gdy Bodywash 1 zachowuje się jak ciecz o zerowej lepkości ścinania. Zmierzona Naprężenie plastyczneGranica plastyczności jest definiowana jako naprężenie, poniżej którego nie występuje przepływ; dosłownie zachowuje się jak słabe ciało stałe w spoczynku i ciecz po ugięciu.granica plastyczności dla Bodywash 2 wynosiła 4 Pa. W niektórych przypadkach ciecze lepkosprężyste mogą wykazywać niewielki szczyt lepkości, nawet jeśli nie mają prawdziwej granicy plastyczności.
W takim przypadku może być wymagana dyskrecja użytkownika lub alternatywne potwierdzenie za pomocą alternatywnego testu, takiego jak test pełzania lub test tabeli szybkości ścinania w celu potwierdzenia braku zerowej lepkości ścinania2.
Wnioski
Dwa żele pod prysznic porównano za pomocą testu granicy plastyczności na reometrze rotacyjnym. Wykazano, że Bodywash 2, który zawiera zagęszczacz asocjacyjny, ma granicę plastyczności wynoszącą 4 Pa. Bodywash 1 nie wykazał szczytowej lepkości w teście rampy naprężenia i dlatego uznano, że nie ma granicy plastyczności.
1Należypamiętać, że testy mogą być przeprowadzane przy użyciu geometrii stożkowej i płytowej lub równoległej - przy czym ta ostatnia jest preferowana w przypadku dyspersji i emulsji o rozmiarach cząstek large. Takie rodzaje materiałów mogą również wymagać zastosowania ząbkowanej lub chropowatej geometrii, aby uniknąć artefaktów związanych z poślizgiem na powierzchni geometrii.