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), 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, układ 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), a następnie przepływ. Zbiega się to z wartością szczytową naprężenia ścinającego, która jest równa granicy plastyczności. Zostało to przedstawione na rysunku 1.
Granica plastyczności jest definiowana jako naprężenie, które musi być przyłożone do próbki, zanim zacznie płynąć.
Zwykle w tych testach stosuje się niską szybkość ścinania, aby uwzględnić właściwości relaksacji czasowej materiału, chociaż w zależności od zastosowania można zastosować różne szybkości ścinania. Szybkie procesy, takie jak dozowanie, zachodzą w krótkich odstępach czasu, co odpowiada wyższym szybkościom ścinania, podczas gdy stabilność na sedymentację / kremowanie występuje w dłuższych okresach czasu i jest lepiej oceniana przy niższych szybkościach ścinania. Ponieważ 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 jest generalnie właściwością zależną od czasu, zmierzone wartości mogą być różne. Szybkość ścinania 0,01 s-1 jest jednak powszechnie stosowana w takim teście i stwierdzono, że daje dobrą zgodność z innymi metodami granicy plastyczności, takimi jak test pełzania [1].
Niniejsza nota aplikacyjna przedstawia metodologię i dane z testu wzrostu naprężeń dla balsamu do ciała.
Eksperymentalny
- Do analizy wybrano komercyjny balsam do ciała.
- Pomiary reometrem rotacyjnym wykonano przy użyciu reometru Kinexus z wkładem z płytkami Peltiera i systemem pomiarowym z równoległymi płytkami o średnicy 40 mm (w celu uniknięcia poślizgu próbki na powierzchniach geometrii)2, wykorzystując standardowe wstępnie skonfigurowane sekwencje w oprogramowaniu rSpace.
- Pozycja ścinania dla geometrii płyty równoległej została ustawiona na 100% w oprogramowaniu rSpace (przy użyciu bazy danych geometrii), aby zmierzyć naprężenie na początku plastyczności.
- Zastosowano standardową sekwencję obciążania, aby zapewnić, że próbka została poddana spójnemu i kontrolowanemu protokołowi obciążania.
- Pojedynczy test szybkości ścinania przeprowadzono przy szybkości ścinania 0,01 s-1 i zmierzono ewolucję naprężenia w funkcji czasu.
- Dane zostały przeanalizowane przy użyciu analizy szczytowej w celu określenia granicy plastyczności.
- Wszystkie pomiary reologiczne przeprowadzono w temperaturze 25°C.
Wyniki i dyskusja
Rysunek 2 przedstawia krzywą naprężenia w funkcji czasu dla próbki balsamu do ciała. Naprężenie początkowo rośnie wraz ze wzrostem odkształcenia i osiąga wartość szczytową przy odkształceniu krytycznym, które jest równe granicy plastyczności.
Tabela 1: Wyniki analizy szczytowej z krzywej ewolucji naprężenia dla próbki balsamu do ciała
| Opis próbki | Czysty balsam do ciała |
|---|---|
| Nazwa eksperymentu | określanie granicy plastyczności przez wzrost naprężenia |
| Nazwa działania | analiza granicy plastyczności Wskaźnik punktowy |
| Wskaźnik punktowy | 1 |
| Naprężenie ścinające (Pa) | 75.42 |
Lepkość ścinania (Pas) | 7.53E+003 |
Ta wartość szczytowa jest określana automatycznie na podstawie analizy szczytowej i raportowana w oprogramowaniu rSpace w formie tabelarycznej, jak pokazano w Tabeli 1. Zgłoszona wartość granicy plastyczności dla tego balsamu do ciała wynosi 75,4 Pa i stwierdzono, że występuje ona przy odkształceniu około 0,5 (50%).
Jak wspomniano we wstępie, w przypadku niektórych materiałów 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 może zależeć od szybkości ścinania, zwłaszcza gdy z czasem następuje znaczna relaksacja strukturalna. W takich przypadkach wyższa 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 będzie obserwowana przy wyższych prędkościach ścinania, ponieważ struktura ma mniej czasu na relaksację.
Na przykład ten sam test wzrostu naprężeń przeprowadzony na tym samym balsamie do ciała przy prędkości ścinania 0,1 s-1 zamiast 0,01 s-1 dał granicę plastyczności 82 Pa.
Wnioski
Wzrost naprężenia jest szybkim i dokładnym testem do określania granicy plastyczności materiału. Ważne jest jednak, aby zastosować stałą szybkość ścinania do testów porównawczych, ponieważ różne szybkości ścinania mogą dawać różne wyniki w zależności od zachowania relaksacyjnego badanego materiału.
Uwaga ...
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.