Introducere
Atunci când materialele viscoelastice sunt deformate, acestea suferă o deformare tridimensională, care poate fi descrisă printr-un tensor (3x3) (a se vedea figura 1).
Tensorul conține trei tensiuni normale, σxx, σyy, σzz. Ceilalți șase tensori sunt tensiuni de forfecare. Dacă domină comportamentul vâscos (de exemplu, dacă fluidul curge), atunci există o singură componentă a tensiunii de forfecare, iar celelalte pot fi ignorate.
Prima diferență de tensiune normală poate fi definită ca:
Unde σxx este tensiunea care acționează în direcția forfecării aplicate și σyy este tensiunea care acționează în direcția forței normale. Într-un experiment reologic, împingerea ascendentă asupra geometriei și a rulmentului este forța normală (care este în direcția axială). Diferențele de tensiune normală sunt de obicei mai dependente de rata de forfecare decât tensiunea de forfecare și pot prezenta creșteri semnificative odată cu creșterea ratei de forfecare.
În plus față de N1, putem defini și primul coeficient de tensiune normală care poate fi considerat un echivalent viscoelastic al vâscozității și depinde de rata de forfecare ý conform următoarei ecuații.
Diferențele de tensiune normală sunt asociate cu efecte neliniare și sunt un rezultat al anizotropiei microstructurii subiacente în condițiile de curgere. Efecte reologice normale, cum ar fi efectul Weissenberg sau efectul de "cățărare a tijei", efectul de "umflare la matriță" sau "umflare post-extrusionare" etc.
O gamă large de produse, inclusiv topituri de polimeri, soluții, sisteme de agenți tensioactivi și emulsii pot prezenta tensiuni normale. În majoritatea cazurilor, tensiunile normale sunt pozitive, dar au fost raportate și tensiuni normale negative în unele cazuri, de exemplu, în gelurile lamelare.
Cea mai bună geometrie de utilizat pentru măsurarea corectă a primei diferențe de tensiune normală este geometria conului și a plăcii, deoarece oferă o rată de forfecare constantă pe întreaga probă, iar împingerea în sus se datorează numai lui N1.
Experimental
- A fost evaluat comportamentul viscoelastic neliniar al unui produs de spălare corporală.
- Măsurătorile cu reometru rotațional au fost efectuate utilizând un reometru Kinexus cu un cartuș cu plăci Peltier și utilizând sistemul de măsurare cu plăci conice1, precum și secvențe standard preconfigurate în software-ul rSpace.
- A fost utilizată o secvență de încărcare standard pentru a se asigura că ambele probe au fost supuse unui protocol de încărcare consecvent și controlabil.
- Toate măsurătorile reologice au fost efectuate la 25 °C.
- Curba de curgere a fost generată utilizând un tabel de echilibru al vitezelor de forfecare între 0,1 și 1 000 s-1 și forța normală determinată.
Rezultate și discuții
Figura 2 prezintă curba vâscozitate - viteză de forfecare pentru spălătorul de corp. Acest produs poate fi clasificat ca un lichid care se diluează prin forfecare, deoarece prezintă un comportament newtonian la viteze de forfecare scăzute, urmat de o scădere rapidă a vâscozității peste o viteză de forfecare critică. Dincolo de această rată critică există, de asemenea, o creștere aparentă a forței normale care rezultă din comportamentul vâscoelastic neliniar cauzat de tensiunea din microstructura deformantă.
Acest lucru este mai evident atunci când tensiunile de forfecare și tensiunile normale sunt comparate direct, ca în figura 3. Aceasta arată că tensiunea normală depășește tensiunea de forfecare în punctul în care tensiunea de forfecare devine constantă. Acest lucru corespunde comportamentului de curgere elastic dominant și explică de ce spălările corporale structurate cu agenți tensioactivi par "foarte elastice" și "fibroase" atunci când sunt utilizate. În cele din urmă, acest comportament elastic dominant va duce la instabilități de curgere la viteze de forfecare ridicate, iar proba va ieși din spațiul de măsurare.
Figura 4 prezintă primul coeficient de tensiune normală ψ1 trasat alături de vâscozitatea de forfecare. Cei doi coeficienți prezintă forme similare, dar, deoarece ψ1 este proporțional cu ý[1], este mai mic decât η în acest caz și prezintă un gradient mai accentuat. Compararea ψ1 sau N1, precum și a vâscozității pentru materialele vâscoelastice poate fi utilă, în special dacă materialul este foarte vâscoelastic și aplicația sau procesul în care este utilizat materialul este susceptibil de a genera tensiune în liniile de curgere.
Concluzie
Comportamentul vâscoelastic neliniar al unui material newtonian poate fi determinat prin măsurarea forței normale în funcție de viteza de forfecare cu ajutorul unui sistem de măsurare cu plăci conice. De asemenea, se pot calcula prima diferență de tensiune normală și primul coeficient de tensiune normală, care sunt echivalente cu tensiunea de forfecare și, respectiv, cu vâscozitatea de forfecare.
1 Vă rugăm sărețineți că testarea trebuie efectuată cu un sistem de măsurare a plăcii conice.