بخشی از مقاله
چکیده
این مقاله به پیشبرد و تست یک روش سریع و ارزان برای اندازه گیری ویژگی های رئولوژیکی سیالات تنش تسلیم به ویژه تنش آستانه و حجم تسلیم شده پرداخته شده است. در این روش به علت استفاده از یک مته غیرچرخان برای اندازه گیری ها، پدیده هایی که در این نوع سیالات باعث اختلال در اندازه گیری می شوند - همچون لغزش دیواره، شکستگی لبه و تخریب نمونه - اجنتاب و یا کمتر شده اند. با الهام از کاری که در سال 2014 توسط سمنیوک و همکارانش برای سوسپانسوین ها انجام شده بود و با تغییراتی که آن را مناسب سیالات وشکو کشسان می کند، پس از ساخت، به آزمون رئومتر با ژل مو در شرایط مختلف برای تنظیم دستگاه و بهبود بخشیدن کارهای قبلی پرداختیم. این رئومتر بررسی در مورد حجم تسلیم که یکی از سوالات مطرح می باشد را ممکن می کند.
مقدمه
برخی سیالات با اعمال یک تنش مناسب می توانند از حالت جامد گونه جدا شده و رفتار مایعات را پیدا کنند که به این تنش حداقل، مقدار تسلیمی و به اینگونه از سیالات، سیالات دارای تنش تسلیمی گفته می شود. سیالات تنش تسلیمی در گستره وسیعی از کاربردها مانند خمیردندان ها، سیمان ها، ملات ها، کف ها، گل های حفاری، سس مایونز و غیره قرار دارند.1 برای یافتن این مقدار حجم تسلیمی از رئومترهای مختلفی استفاده شده است. ولی هرکدام از انواع آنها دارای محدودیت هایی می باشند. محدودیت اصلی استفاده از رئومترهای گشتاوری زمان بر بودن این روش و احتمال کاهش توزیع اندازه ذره در حین اندازه گیری می باشد.
مشکلی که در استفاده از رئومتر وبن - تیغه ای - وجود دارد استفاده از آن برای برخی از غلظت های معین است چون تیغه بدون بهم فشردن نمونه نمی تواند به نمونه متصل شود و نتیجه مناسبی را ارایه نمی کند. همچنین اخیرا مقالاتی که از رئومتر با هندسه صفحات موازی استفاده کرده اند، برجسته شده اند. ولی این ابزار فقط برای سیالاتی که ذرات خیلی بزرگی ندارند و سوسپانسون هایی که خیلی غلیظ نباشند مناسب هستند، زیرا امکان مشاهده پدیده هایی پیچیده از قبیل لغزش دیواره و شکستگی لبه2و3 برای مواد با غلظت بالاتر وجود دارد. آقای سمنیوک و همکارانش 4 - 2014 - ، یک رئومتر با طرحی نو برای سیالات تنش تسلیمی معرفی کردند.
ایشان نشان داده اند که این روش برای بسیاری از این گونه سیالات می تواند استفاده شود و همچنین نتایج سازگاری خوبی با اندازه گیری های بدست آمده از رئومتری وین داشته است. در کار حاضر ما علاوه بر الهام از کار قبلی، در راستای فهم بهتر وجود یا عدم وجود نقطه تسلیمی و اندازه گیری آن و همچنین یافتن حجم تسلیمی، اقدام به ارتقا و تغییر فرآیند اندازه گیری نموده ایم. در این فرآیند از یک مته مارپیچ شکل که وارد نمونه می شود استفاده شده است. با توجه به ماده ی مورد آزمایش وهدف اندازه گیری حجم تسلیمی، برخلاف کار آقای سمیوک که در آن از درب های متفاوت برای ظرف نمونه جهت بررسی تاثیرآن بر روی اندازه گیری ها استفاده شده بود، ما در اینجا از ظرف ها با قطر های مختلف استفاده نموده ایم.
مواد و روش ها طراحی وساخت دستگاه
درشکل 1 رئومتر مورد نظر نشان داده شده است. مته مورد استفاده از جنس برنز، طول کلی 150 میلی متر، قطر محور اصلی 4/5 میلی متر، دارای شیار های مارپیچ شکل به طول 81/18 میلی متر، قطر شیارها 12/9 میلی متر، تعداد گام ها 6 و فاصله داخل به داخل شیارها 12/9 میلی متر، ضخامت هر شیار 1/5 میلی متر می باشد. مته از طریق یک قطعه سه نظام به سر یک لودسل - تک پایه ، حداکثر نیرو قابل اندازه گیری50 نیوتن، دقت آن 0/01 نیوتن و دارای قاب آلومنیومی می باشد - متصل شده است که به واسطه ی یک حمل کننده فقط بالا و پایین می رود و چرخش ندارد. داده ها به وسیله ی کابل Usb2 و با استفاده از نرم افزار Code Vision AVR نسخه استاندارد 2.05.3 در یک فایل notepad ذخیره می شوند.
حمل کننده به کمک یک موتور پله ای200 دور، DC 24ولت، 0/26 آمپر مدل TS3103B344 تولید شرکت تاماگاوا ژاپن که توسط یک بسط با یک میله شیار خورده کوپل شده، حرکت می کند. بخش الکترونیکی به گونه ای طراحی شده است که بتوان برنامه مورد نیاز در اندازه گیری را از طریق آن تنظیم نمود. بر روی جعبه الکترونیکی می توان جهت حرکت موتور - به سمت بالا یا پایین - ، سرعت بر حسب دور بر دقیقه - از 5 تا 200 دور بر دقیقه یا از 0/1 تا 3 میلی متر برثانیه - و همچنین تعداد دور تناوب را مشخص نموده. این دستگاه فاقد بخش نوسانی می باشد.
فرآیند اندازه گیری
برای بدست آوردن حجم تسلیمی به ترتیب از 7 ظرف با قطر های : 104/62، 62/8، 47/4، 40/4، 32/1، 27/8، 22/3میلی متر، با ارتفاع حداقل 100 میلی متر برای تمام ظروف، استفاده شده است. بعد از ریختن نمونه در ظروف مورد نظر برای تمام تست ها مته که قبلا از طریق سه نظام به لودسل متصل شده با استفاده از حالت دستی دستگاه که دارای سرعت موتور ثابت 100 دور بر دقیقه می باشد تا ارتفاع مورد نظر بدون چرخش و توقف به داخل نمونه برده می شود - شکل . - 2
برای بررسی تاثیر طول مته از طول های 81/18 ،44/64 و 27/1 میلی متراستفاده شده است. داده ها درست بعد از به کار انداختن موتور و بعد از اتصال نمایشگر لودسل به کامپیوتر و با استفاده از نرم افزار ذکر شده شروع به ذخیره سازی می شوند. هر آزمایش 3 بار تکرار شده و خطا ها براساس خطای مطلق اندازه گیری شده اند. با فرض اینکه سهم اندازه گیری نیرو از تغییرشکل پیچیده ی مواد نزدیک انتهای مته ناچیز باشد، می توان از آن صرف نظر نمود.4 همچنین تغییر شکل نمونه زمانی رخ می دهد که اتصال به عنوان سطح برش به شکل سطح استوانه ای بوده که با استفاده از عمقی که مته وارد می شود و قطر مته تعیین میگردد - شکل . - 2 در این صورت تنش برشی ظاهری خواهد شد: - 1 - که F نیروی اندازه گیری شده درهنگام تغییر شکل، D قطر مته و L طولی از مته که وارد نمونه می شود، می باشد.
مخرج کسر تنش برشی همان مساحت جانبی استوانه است. تنش ظاهری به تغییر شکل و نرخ تغییر شکل بستگی دارد. کرنش - کشش - ظاهری app ، جابجایی محور مته تقسیم بر yc - حداقل شعاع ظرفی که بعد از آن تنش برشی بیشینه مستقل از شعاع ظرف باشد یعنی عدم دخالت لغزش دیواره ها - می باشد، همانطور که در شکل 2 - سمت چپ - مشخص شده است و نرخ کرنش ظاهری بصورت نرخ جابجایی محور مته تقسیم بر yc تعریف می شود. در ابتدا برای اندازه گیری رشد تنش، تنش برشی ظاهری بصورت تابعی از زمان مانند شکل 3 رسم شده است.
شکل:3 مثالی از نمودارتنش برشی ظاهری میانگین بر حسب زمان با سه تکرار در سرعت های موتور 10، 20، 30، 40، 50، 60، 70، 80، 90، 100و150 دور بردقیقه، طول 81/18 میلی متر مته، برای ژل مو در دمای 23 0 1 سانتی گراد. تنش برشی ظاهری در این صورت دارای یک بیشینه می باشد که بصورت app,max نمایش داده می شود. بعد از تعیین مقدار yc بهینه و تنظیم دستگاه، باتوجه به تعریف رابطه ی - 2 - برای تنش تسلیمی اقدام به استخراج تنش برشی ظاهری بیشینه برای نرخ های برش به قدر کافی کوچک نموده ایم.
مواد مورد استفاده و نحوه ی آماده سازی
در مقاله حاضر ما از این دستگاه برای محاسبه ی تنش تسلیمی و حجم تسلیمی ژل موی سراستفاده کرده ایم که تنش تسلیمی و داده های رئولوژی آن پیشتر با رئومتر آنتون پار MCR302 بدست آمده است. در اندازه گیری ها چون دما بسیار موثر می باشد سعی شده است که دمای نمونه در 230 1 سانتی گراد قرار گیرد. قبل از هر آزمایش نمونه بعد از قرار گرفتن در ظرف نمونه به مدت 3 دقیقه با همزن مکانیکی Heidolph ,RZR 2041 با سرعت حدودا 930 دور بر دقیقه هم زده شده است.
