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通过旋转流变仪的振荡测试,测定复杂流体(多种凝胶样品)的屈服应力

更新时间:2020-06-03      点击次数:2763
许多复杂流体,例如形成网络的聚合物、表面活性剂中间相、浓缩的乳液,它们在静止状态下不流动,直到施加的应力超出一定的临界值,即屈服应力。这类行为即所谓屈服流动行为。由此屈服应力定义为要使样品发生流动所需施加的小应力。低于该屈服应力,样品将表现为弹性变形(类似拉伸弹簧),高于此屈服应力,样品将像液体一样流动。

大多数带屈服应力的流体可视为有一结构骨架延伸在整个材料体积中。骨架的力量由分散相的结构及其交互作用所控制。连续相通常为低粘度,然而,引入高的分散相体积比,可以上千倍地增加体系粘度,并使样品在静止时表现出类似固体的行为。这类材料经常被称为粘弹性材料。

有不同的方法测定屈服应力[1],大多数使用稳态剪切测试。然而,灵敏的方法之一是使用振荡振幅扫描。其测试方法为施加渐增的应力或应变,并监控模量与/或应力的变化。

从图1所示的振幅扫描结果中,可以多种方式来表征屈服应力。某些研究者将G’的起始下降点作为屈服点的量度,因为它代表了非线性行为与结构崩塌的起始点,而另一些研究者则将G’/G’’的交点作为屈服点,因为它代表从固态向类液体行为的转变。这两个点之间的区域被定义为屈服区。


图1 图中显示了振幅扫描所获取的数据点,用以确定屈服应力

一种较新的方法则为测量弹性应力部分σ’(与G’的弹性结构有关)对应变振幅的函数关系。如图2所示,峰值点的应力为屈服应力,其对应的应变即为屈服应变。通常这一点落在屈服区内,且已经显示可以给出对于屈服应力的更可靠的度量,该值也与其他方法得到的结果相一致。

取决于待测材料的松弛行为,测试频率有时可以影响测得的屈服应力。较低的频率可以更好地表征材料在静止状态下的性质,但将极大地延长测试时间。因此,通常使用0.1到10Hz之间的数值。

本应用案例显示了对于一系列凝胶样品的测量方法,以及得到的数据。

 

测试方法:

分析了以下凝胶样品:缔合聚合物(HASE-表面活性剂),发胶,mannan/santhan水溶胶。

使用Kinexus流变仪,加Peltier板盒,锥板测量系统,进行了旋转流变测试。使用了rSpace软件中预配置的测量程序。

使用标准的装样序列,以确保样品经受一致而可控的装载方法。

在1Hz下进行了应变控制振幅扫描,测量了模量与弹性应力对施加的应变的函数关系。

每一样品的屈服应力,对应于弹性应力对应变曲线的峰值点。

所有流变测量均在25℃下进行。


图2 图中显示了弹性应力作为应变振幅函数曲线的峰值点,该点可作为屈服应力与应变的表征


测试结果:

图3显示了对于不同的样品,应变振幅扫描的结果。表1显示了屈服应力与应变的相应的值,通过对峰值点的自动分析得到。


图3 弹性应力(σ’)对应变振幅(γ)的关系图。

□:发胶;△:mannan/xanthan水溶胶;▽:缔合聚合物(HASE-表面活性剂)


表1 屈服应力与应变值,由对弹性应力图的分析得到


发胶测得的屈服应力高,为77Pa。胶复合物的屈服应力为23Pa。缔合增稠剂的值低,为11Pa。

对于屈服应变,胶复合物测得的值高,为1.5,表明其具有延展性较佳的结构。发胶的值为0.87。缔合增稠剂(HASE-表面活性剂)的值为0.2,表明其具有更脆的结构。

 

测试结论:

可以使用振荡振幅扫描测试,以测定材料的屈服应力与应变。推荐的测试方法包括监控弹性应力(σ’)作为应变振幅的函数,屈服应力对应于σ’曲线上的峰值点。已使用了这一测试方法,以测量一系列水性凝胶体系的屈服应力与应变。

 

参考文献:

[1] White Paper – Understanding Yield Stress Measurements

 

注:也可以使用平行板夹具进行测试。这一夹具更适用于较大粒径的分散体系和乳液。这类材料的测试可能还需要使用表面粗糙或锯齿状的夹具,以避免由于流体在夹具表面滑移造成的测试假象。

 

 


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