PMC

Przykład: produkty spożywcze do smarowania

Rysunek 4 przedstawia dwa przykłady badań oscylacyjnych brytyjskich produktów spożywczych do smarowania z zastosowaniem urządzenia z płytą równoległą. Materiał poddawany jest odkształceniu, które zmienia się sinusoidalnie w czasie z częstotliwością 1 Hz: amplituda odkształcenia jest stale zwiększana, a moment obrotowy wywierany przez materiał na ruchomą płytę mierzony i przekształcany na naprężenie ścinające. Następnie oblicza się wartości G′ i G″. Widoczne są trzy regiony zachowania. Przy niskim odkształceniu (region I), oba moduły są niezależne od odkształcenia: jest to region liniowo sprężysty. Tutaj G′ jest o rząd wielkości większe niż G″ – reakcja materiału jest przede wszystkim sprężysta. W regionie II, G′ maleje wraz ze wzrostem odkształcenia. W regionie III, G″>G′, a więc dominuje reakcja lepka: materiał przeszedł od zachowania podobnego do ciała stałego do zachowania podobnego do płynu. Przy odkształceniu 0,1%, G″≈G′ i jest to pewne krytyczne odkształcenie lub naprężenie, τc (niektórzy pracownicy nazwaliby to granicą plastyczności. Inni będą twierdzić, że tak nie jest). Możemy oszacować wielkość τc z τc=G′γ=1000 × 0,001=1 Pa.

Rysunek 4 sugeruje, że oba produkty do smarowania są bardzo podobne, ale osoby zaznajomione z Nutellą® i Marmite® będą wiedziały, że te dwa materiały płyną inaczej. Oba materiały są nienewtonowskie i pozorna lepkość zależy od prędkości ścinania: aby porównać produkty do smarowania, musimy znać prędkość ścinania narzuconą przez ostrze podczas rozsmarowywania. Doświadczenie (powiedzmy, że kromka chleba ma około 10 cm szerokości, a rozprowadzenie jej zajmuje 5 sekund: V=0.1/5 m/s) sugeruje, że V~0.02 m/s i h~1 mm, więc prędkość ścinania wynosi około 20/s. Dane z próby ścinania ustalonego przedstawione na rysunku 5 wskazują, że lepkość pozorna Marmite® jest wyraźnie większa niż Nutelli® w warunkach rozsmarowywania. W przypadku obu materiałów, lepkość pozorna maleje wraz ze wzrostem prędkości ścinania: określa się je mianem rozrzedzanych ścinaniem, co odzwierciedla zaburzenie oddziaływań zachodzących w płynie podczas ścinania. Wiele płynów złożonych jest rozrzedzanych ścinaniem: niektóre, jak zawiesiny skrobi kukurydzianej, są zagęszczane ścinaniem, a η wzrasta wraz z prędkością ścinania.

Wybór właściwych skal czasowych (jednostkami szybkości ścinania są s-1, więc szybkości ścinania są wzajemnymi skalami czasowymi) i szybkości ścinania jest ważny przy wykonywaniu pomiarów reologicznych. Rysunek 5 pokazuje, że pomiary wykonane przy niereprezentatywnej prędkości ścinania dadzą nieprawidłowe wyniki. Rozważmy film łzowy powstający podczas mrugania powieką. Powieka porusza się w przód i w tył na odległość ok. 15 mm w czasie ok. 150 ms, a więc V~0,1 m/s. Przyjmując grubość filmu łzowego jako ok. 3 μm, prędkość ścinania związana z tworzeniem filmu łzowego wynosi ok. 33 000/s. Jest to duża prędkość ścinania, a tym samym prędkość ścinania. Jest to duża prędkość ścinania i wykonywanie pomiarów w tym obszarze może wymagać specjalistycznych urządzeń. Inną skalą czasową, którą należy rozważyć, jest czas relaksacji, który można odnieść do okresu pomiędzy mrugnięciami (około 5 s), co określi czas, jaki płyn musi odzyskać pomiędzy epizodami ścinania.

Ten aspekt odzyskiwania interakcji jest również widoczny na rysunku 5, gdzie przedstawiono dane dla szybkości ścinania zwiększonej do wartości maksymalnej, a następnie ponownie zmniejszonej. Lepkość pozorna Nutelli® jest niższa na odcinku powrotnym, co jest cechą znaną jako tiksotropia, związaną z tym, że płyn potrzebuje czasu na powrót do stanu sprzed odkształcenia. Marmite® wykazuje niezwykłe zachowanie, ponieważ lepkość pozorna jest prawie stała na odcinku powrotnym. Skutecznie pamięta, jak szybko był ścinany.

Zachowanie nienewtonowskie wynika z interakcji pomiędzy składnikami płynu. Marmite® zawiera wiele rozpuszczonych fragmentów białek: wiele płynów biologicznych to roztwory polimerów, a płyn szklistkowy (VH) jest wodną zawiesiną włókien kolagenowych. Silva i wsp.1 badali reologię VH królika stosując techniki podobne do tych na rysunkach 4 i 55 i wykazali, że VH istnieje jako faza ciekła lub żelowa, z których obie są wiskoelastyczne.

Nutella® jest gęstą zawiesiną, a rozrzedzanie przy ścinaniu wynika z interakcji pomiędzy cząsteczkami. Komórki lub pęcherzyki, jako elementy w skali mikro, mogą powodować szereg różnych oddziaływań. Rysunek 6 przedstawia przykład silnie sprężystej reakcji powstałej w wyniku ścinania pęcherzykowatej cieczy: mieszadło porusza się w jednym kierunku, ale ciecz reaguje generując siłę w innym kierunku, powodując wznoszenie się mieszaniny w górę pręta. Rysunek 7 przedstawia próbkę obracaną w teście z płytą równoległą. Wytworzony ciąg w górę wyrażony jest jako różnica naprężeń normalnych, N1-N2. Dane na rysunku 7 pokazują, że miód bez pęcherzyków powietrza daje stałą, małą wartość N1-N2: dodanie pęcherzyków powietrza daje dużą siłę ciągu. Przepływ takiego materiału wzdłuż rurki może generować duże naprężenia normalne na ściankach rurki.

Istnieje szereg innych rodzajów zachowań nienewtonowskich. Płyny lepkoplastyczne to takie, które nie płyną do momentu osiągnięcia naprężenia krytycznego. Płyn Binghama jest najprostszym typem płynu lepkoplastycznego. Poniżej naprężenia krytycznego – często określanego jako granica plastyczności – materiał wykazuje zachowanie podobne do ciała stałego, takie jak sprężystość i pełzanie. Powyżej naprężenia krytycznego płyn płynie, a lepkość pozorna zależy od szybkości ścinania. Płyny lepkoplastyczne są zawsze rozrzedzane przy ścinaniu, ale nie wszystkie płyny rozrzedzane przy ścinaniu są lepkoplastyczne. Codzienne przykłady obejmują pastę do zębów i żel do włosów. Ketchup pomidorowy jest często opisywany jako lepkoplastyczny, ale jest to prawdopodobnie bardziej złożone zjawisko. Pomiar naprężenia krytycznego (lub granicy plastyczności) może być trudny: szacowana wartość jest często określana przez metodę pomiaru.