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 0,01-0,1 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. Это совпадает с пиковым значением напряжения сдвига, которое равно пределу текучести. Это показано на рисунке 1.
Предел текучести определяется как напряжение, которое должно быть приложено к образцу, прежде чем он начнет течь.
Обычно в таких испытаниях используется низкая скорость сдвига, чтобы учесть свойства материала, связанные с временной релаксацией, хотя в зависимости от интересующей области применения могут использоваться различные скорости сдвига. Быстрые процессы, такие как дозирование, происходят в короткие сроки, что соответствует более высоким скоростям сдвига, в то время как устойчивость к седиментации/кремообразованию происходит в течение более длительного времени и лучше оценивается при более низких скоростях сдвига. Поскольку предел текучести обычно зависит от времени, измеренные значения могут быть разными. Тем не менее, скорость сдвига 0,01 с-1 обычно используется в таких испытаниях и, как было установлено, дает хорошее соответствие с другими методами определения предела текучести, такими как испытания на ползучесть [1].
В данном приложении представлены методология и данные испытания на рост напряжения для лосьона для тела.
Экспериментальный
- Для анализа был выбран коммерческий лосьон для тела.
- Вращательные реометрические измерения проводились с помощью реометра Kinexus с картриджем для пластин Пельтье и измерительной системой с шероховатыми параллельными пластинами диаметром 40 мм (чтобы избежать проскальзывания образца на геометрических поверхностях)2, а также с использованием стандартных предварительно настроенных последовательностей в программном обеспечении rSpace.
- Положение сдвига для геометрии параллельных пластин было установлено на 100% в программе rSpace (с использованием базы данных геометрии), чтобы измерить напряжение в начале текучести.
- Стандартная последовательность нагружения использовалась для обеспечения последовательного и контролируемого протокола нагружения образца.
- Было проведено одно испытание при скорости сдвига 0,01 с-1 и измерено изменение напряжения в зависимости от времени.
- Данные анализировались с помощью пикового анализа для определения предела текучести.
- Все реологические измерения проводились при 25°C.
Результаты и обсуждение
На рисунке 2 показана кривая зависимости напряжения от времени для образца лосьона для тела. Первоначально напряжение нарастает по мере увеличения деформации и достигает пикового значения при критической деформации, которая равна пределу текучести.
Таблица 1: Результаты анализа пиков на кривой эволюции напряжения для образца лосьона для тела
| Описание образца | Чистый лосьон для тела |
|---|---|
| Название эксперимента | определение предела текучести по росту напряжений |
| Название действия | анализ напряжения текучести Индекс точки |
| Индекс точки | 1 |
| Напряжение сдвига (Па) | 75.42 |
Вязкость при сдвиге (Па) | 7.53E+003 |
Это пиковое значение определяется автоматически по результатам анализа пиков и отражается в программе rSpace в табличной форме, как показано в таблице 1. Заявленное значение предела текучести для этого лосьона для тела составляет 75,4 Па, и оно было определено при деформации приблизительно 0,5 (50%).
Как уже упоминалось во введении, для некоторых материалов измеренный предел текучести может зависеть от скорости сдвига, особенно если со временем происходит значительная структурная релаксация. В таких случаях при более высоких скоростях сдвига будет наблюдаться более высокий предел текучести, поскольку для релаксации структуры требуется меньше времени.
Например, то же испытание на рост напряжения, проведенное для того же лосьона для тела при скорости сдвига 0,1 с-1 вместо 0,01 с-1, дало предел текучести 82 Па.
Заключение
Рост напряжения - это быстрый и точный тест для определения предела текучести материала. Однако для сравнительных испытаний важно использовать постоянную скорость сдвига, поскольку разные скорости сдвига могут дать разные результаты в зависимости от релаксационного поведения испытуемого материала.
Обратите внимание ...
испытания могут проводиться с использованием геометрии 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 зубчатых или шероховатых геометрий, чтобы избежать артефактов, связанных с проскальзыванием на поверхности геометрии.