Введение
Многие сложные жидкости, такие как сетеобразующие полимеры, мезофазы ПАВ и концентрированные эмульсии, не текут до тех пор, пока приложенное напряжение не превысит определенное критическое значение, называемое пределом текучести. Материалы, демонстрирующие такое поведение, называются текучими. Таким образом, предел текучести определяется как напряжение, которое должно быть приложено к образцу, чтобы он начал течь. Ниже предела текучести образец будет деформироваться упруго (как растягивающаяся пружина), выше предела текучести образец будет течь как жидкость.
Большинство жидкостей с пределом текучести можно рассматривать как структурный скелет, который простирается по всему объему системы. Прочность скелета определяется структурой дисперсной фазы и ее взаимодействиями. Обычно непрерывная фаза имеет низкую вязкость, однако высокие объемные доли дисперсной фазы могут увеличить вязкость в тысячи раз и вызвать твердое поведение в состоянии покоя.
Когда сложная жидкость, демонстрирующая поведение текучести, подвергается сдвигу при низких скоростях сдвига, в диапазоне от 0,01 до 0,1 с-1 и ниже критической деформации, система подвергается упрочнению. Это характерно для твердого тела и происходит в результате растяжения упругих элементов в поле сдвига. Когда такие упругие элементы приближаются к своей критической деформации, структура начинает разрушаться, вызывая сдвиговое утончение (деформационное размягчение) и последующее течение. Напряжение, при котором происходит катастрофическое разрушение структурного каркаса, является пределом текучести.
Существует ряд экспериментальных тестов для определения предела текучести. Один из самых быстрых и простых методов заключается в проведении развертки напряжения сдвига и определении напряжения, при котором наблюдается пик вязкости. До этого пика вязкости материал подвергается упругой деформации. Таким образом, этот пик представляет собой точку, в которой упругая структура разрушается (выходит из строя) и материал начинает течь. Это показано на рисунке 1.
В этом приложении представлены методология и данные, полученные в ходе стресс-теста для двух гелей для душа (средств для мытья тела) с разными составами.
Напряжение текучести определяется как напряжение, которое должно быть приложено к образцу, прежде чем он начнет течь.
Экспериментальный
- Оценивались два коммерческих геля для душа, один из которых содержал только ПАВ, а другой - ПАВ и ассоциативный загуститель.
- Вращательные реометрические измерения проводились с помощью реометра Kinexus с картриджем для пластин Пельтье и системой измерения конуса и пластины1, а также с использованием стандартных предварительно настроенных последовательностей в программном обеспечении rSpace.
- Стандартная последовательность нагружения использовалась для обеспечения последовательного и контролируемого протокола нагружения образца.
- Выполнялась рампа напряжения сдвига, и данные анализировались с помощью пикового анализа для определения предела текучести.
- Все реологические измерения проводились при 25°C.
Результаты и обсуждение
На рисунке 2 показаны кривые зависимости вязкости от напряжения для двух образцов геля для душа в испытании на темп напряжения. Данные для бодивоша 2 показывают четкий пик вязкости в испытании на темп напряжения, в то время как данные для бодивоша 1 относительно ровные. Это говорит о том, что при испытании на растяжение гель для душа 2 испытывает деформационное упрочнение, связанное с пределом текучести, в то время как гель для душа 1 ведет себя как жидкость с нулевой вязкостью при сдвиге. Измеренный предел текучести для бодяги 2 составил 4 Па. В некоторых случаях вязкоупругие жидкости могут демонстрировать небольшой пик вязкости, даже если они не обладают истинным пределом текучести.
В этом случае может потребоваться осторожность пользователя или альтернативное подтверждение с помощью альтернативного теста, такого как тест на ползучесть или тест по таблице скорости сдвига, чтобы подтвердить отсутствие нулевой вязкости при сдвиге2.
Заключение
Два геля для душа были сравнены с помощью теста на предел текучести на ротационном реометре. Было показано, что средство для мытья тела 2, содержащее ассоциативный загуститель, имеет предел текучести 4 Па. Средство для мытья тела 1 не показало пика вязкости при испытании на предел текучести и поэтому было признано не имеющим предела текучести.
1Примите вовнимание, что испытания могут проводиться с геометрией конуса и пластины или параллельной пластины, причем последняя предпочтительнее для дисперсий и эмульсий с размером частиц large. Для таких типов материалов также может потребоваться использование зубчатой или шероховатой геометрии, чтобы избежать артефактов, связанных с проскальзыванием на поверхности геометрии.