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通過(guò)旋轉(zhuǎn)流變儀的振蕩測(cè)試，測(cè)定復(fù)雜流體（多種凝膠樣品）的屈服應(yīng)力
許多復(fù)雜流體，例如形成網(wǎng)絡(luò)的聚合物、表面活性劑中間相、濃縮的乳液，它們?cè)陟o止?fàn)顟B(tài)下不流動(dòng)，直到施加的應(yīng)力超出一定的臨界值，即屈服應(yīng)力。這類(lèi)行為即所謂屈服流動(dòng)行為。由此屈服應(yīng)力定義為要使樣品發(fā)生流動(dòng)所需施加的小應(yīng)力。低于該屈服應(yīng)力，樣品將表現(xiàn)為彈性變形（類(lèi)似拉伸彈簧），高于此屈服應(yīng)力，樣品將像液體一樣流動(dòng)。
圖1 圖中顯示了振幅掃描所獲取的數(shù)據(jù)點(diǎn)，用以確定屈服應(yīng)力
圖2 圖中顯示了彈性應(yīng)力作為應(yīng)變振幅函數(shù)曲線的峰值點(diǎn)，該點(diǎn)可作為屈服應(yīng)力與應(yīng)變的表征
大多數(shù)帶屈服應(yīng)力的流體可視為有一結(jié)構(gòu)骨架延伸在整個(gè)材料體積中。骨架的力量由分散相的結(jié)構(gòu)及其交互作用所控制。連續(xù)相通常為低粘度，然而，引入高的分散相體積比，可以上千倍地增加體系粘度，并使樣品在靜止時(shí)表現(xiàn)出類(lèi)似固體的行為。這類(lèi)材料經(jīng)常被稱(chēng)為粘彈性材料。
有不同的方法測(cè)定屈服應(yīng)力[1]，大多數(shù)使用穩(wěn)態(tài)剪切測(cè)試。然而，靈敏的方法之一是使用振蕩振幅掃描。其測(cè)試方法為施加漸增的應(yīng)力或應(yīng)變，并監(jiān)控模量與/或應(yīng)力的變化。
從圖1所示的振幅掃描結(jié)果中，可以多種方式來(lái)表征屈服應(yīng)力。某些研究者將G’的起始下降點(diǎn)作為屈服點(diǎn)的量度，因?yàn)樗砹朔蔷€性行為與結(jié)構(gòu)崩塌的起始點(diǎn)，而另一些研究者則將G’/G’’的交點(diǎn)作為屈服點(diǎn)，因?yàn)樗韽墓虘B(tài)向類(lèi)液體行為的轉(zhuǎn)變。這兩個(gè)點(diǎn)之間的區(qū)域被定義為屈服區(qū)。
圖1 圖中顯示了振幅掃描所獲取的數(shù)據(jù)點(diǎn)，用以確定屈服應(yīng)力
一種較新的方法則為測(cè)量彈性應(yīng)力部分σ’（與G’的彈性結(jié)構(gòu)有關(guān)）對(duì)應(yīng)變振幅的函數(shù)關(guān)系。如圖2所示，峰值點(diǎn)的應(yīng)力為屈服應(yīng)力，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變即為屈服應(yīng)變。通常這一點(diǎn)落在屈服區(qū)內(nèi)，且已經(jīng)顯示可以給出對(duì)于屈服應(yīng)力的更可靠的度量，該值也與其他方法得到的結(jié)果相一致。
取決于待測(cè)材料的松弛行為，測(cè)試頻率有時(shí)可以影響測(cè)得的屈服應(yīng)力。較低的頻率可以更好地表征材料在靜止?fàn)顟B(tài)下的性質(zhì)，但將極大地延長(zhǎng)測(cè)試時(shí)間。因此，通常使用0.1到10Hz之間的數(shù)值。
本應(yīng)用案例顯示了對(duì)于一系列凝膠樣品的測(cè)量方法，以及得到的數(shù)據(jù)。
測(cè)試方法：
分析了以下凝膠樣品：締合聚合物（HASE-表面活性劑），發(fā)膠，mannan/santhan水溶膠。
使用Kinexus流變儀，加Peltier板盒，錐板測(cè)量系統(tǒng)，進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)流變測(cè)試。使用了rSpace軟件中預(yù)配置的測(cè)量程序。
使用標(biāo)準(zhǔn)的裝樣序列，以確保樣品經(jīng)受一致而可控的裝載方法。
在1Hz下進(jìn)行了應(yīng)變控制振幅掃描，測(cè)量了模量與彈性應(yīng)力對(duì)施加的應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系。
每一樣品的屈服應(yīng)力，對(duì)應(yīng)于彈性應(yīng)力對(duì)應(yīng)變曲線的峰值點(diǎn)。
所有流變測(cè)量均在25℃下進(jìn)行。
圖2 圖中顯示了彈性應(yīng)力作為應(yīng)變振幅函數(shù)曲線的峰值點(diǎn)，該點(diǎn)可作為屈服應(yīng)力與應(yīng)變的表征
測(cè)試結(jié)果：
圖3顯示了對(duì)于不同的樣品，應(yīng)變振幅掃描的結(jié)果。表1顯示了屈服應(yīng)力與應(yīng)變的相應(yīng)的值，通過(guò)對(duì)峰值點(diǎn)的自動(dòng)分析得到。
□：發(fā)膠；△：mannan/xanthan水溶膠；▽?zhuān)壕喓暇酆衔铮℉ASE-表面活性劑）
發(fā)膠測(cè)得的屈服應(yīng)力高，為77Pa。膠復(fù)合物的屈服應(yīng)力為23Pa。締合增稠劑的值低，為11Pa。
對(duì)于屈服應(yīng)變，膠復(fù)合物測(cè)得的值高，為1.5，表明其具有延展性較佳的結(jié)構(gòu)。發(fā)膠的值為0.87。締合增稠劑（HASE-表面活性劑）的值為0.2，表明其具有更脆的結(jié)構(gòu)。
測(cè)試結(jié)論：
可以使用振蕩振幅掃描測(cè)試，以測(cè)定材料的屈服應(yīng)力與應(yīng)變。推薦的測(cè)試方法包括監(jiān)控彈性應(yīng)力（σ’）作為應(yīng)變振幅的函數(shù)，屈服應(yīng)力對(duì)應(yīng)于σ’曲線上的峰值點(diǎn)。已使用了這一測(cè)試方法，以測(cè)量一系列水性凝膠體系的屈服應(yīng)力與應(yīng)變。
參考文獻(xiàn)：
[1] White Paper – Understanding Yield Stress Measurements
注：也可以使用平行板夾具進(jìn)行測(cè)試。這一夾具更適用于較大粒徑的分散體系和乳液。這類(lèi)材料的測(cè)試可能還需要使用表面粗糙或鋸齒狀的夾具，以避免由于流體在夾具表面滑移造成的測(cè)試假象。