Rheologica Acta

, Volume 10, Issue 1, pp 142–152 | Cite as

A versatile surface rheometer

  • E. Shotton
  • K. Wibberley
  • B. Warburton
  • S. S. Davis
  • P. L. Finlay
Originals

Summary

In the study of the physical properties of hydrocolloid films at the aqueous-air interface and aqueousoil interface it is necessary to be able to look at the whole range of rheological properties from low viscosity liquid to viscoelastic solid. It is desirable to follow all these stages, in succession, sometimes, with one piece of apparatus.

The apparatus developed can be used in three basic modes without modification. Continuous shear (as a surface Couette viscometer). Free Oscillation, and Creep and Creep Recovery.

In continuous shear, a cylindrical dish containing the aqueous solution of the hydrocolloid and the oil layer, is rotated about its vertical axis at a known constant velocity. The shear stress is determined from the angular deflection of a shallow angled biconical pendulum suspended in the oil-water interface by means of a long vertical wire. The shear rate is calculated from the speed of rotation of the dish.

In free oscillation the amplitude and period of oscillation of the biconical pendulum, suspended on the wire are recorded using an optical lever, photo-cell, and pulse counting circuit. or observed directly from the movement of a spot of light projected onto a horizontal scale.

In creep, constant surface shear stress is applied, by arranging that the twist in the vertical wire supporting the biconical. pendulum, remains constant during the experiment. A servomechanism, controlled by the optical lever and photo-cell, mentioned above, drives the cylindrical dish by an amount necessary to maintain the constant shear stress. The deformation of the interfacial film is recorded in digital form as the number of pulses fed to a stepping motor which, itself, is an integral part of the servomechanism.

The smallest deformation of the interfacial film corresponds to an angular movement of the pendulum bob of about 3 × 10−4 radian. The applied torque depends on the thickness of the suspension wire and the twist in it. The latter can be measured to 0.25°.

Keywords

Interfacial Film Surface Shear Stress Constant Shear Stress Creep Recovery Continuous Shear 

Glossary of terms

Ai

1/τi

b

wire twist in radians

c

damping coefficient

D

Depth/width ratio

f

Natural Frequency (Hertz)

Gs

Surface shear modulus

Js

Surface Creep Compliance

K

dimensionless radial position at which point stress is applied

Kw

wire constant

k

Apparatus constant

m

Counting rate

n

Integer

p

number of counts

p0

counts associated with the different parts of the

pi

creep expression

pt

q0 (J0, Ji, Jt η0)

R

Radius

r

Radius of intermediate size circle within the annulus

rc

Radius of Cup

rb

Radius of Bob

T

Applied Torque

T+

Dimensionless Torque (11)

t

Time

Elemental angle

du

Elemental tangential shift

δθ

Angular sector

α

Half cone angle

β

constant

γs

surface shear strain

ψ

angular movement (radians)

η0

uncoupled residual viscosity (Voigt unit)

ηs

Surface viscosity

τi

Retardation time

θ

Angular movement (radians)

θ0

initial angular amplitude (radians)

θ

Annular velocity (rad sec−1)

θ(t)

angular deflection of inner boundary as function of time

Ω

ngular velocity of cup (sec−1)

σs

surface shear stress

ω

frequency (rad sec−1)

Φ0

1/η0

Zusammenfassung

Bei Untersuchungen der physikalischen Eigenschaften hydrokolloidaler Filme an den Grenzflächen von einem wäßrigen Medium und Luft sowie wäßrigem Medium und Öl sollte man unbedingt den gesamten Bereich der Theologischen Eigenschaften in Betracht ziehen, d. h. von Flüssigkeiten mit geringer Viskosität bis zu viskoelastischen Feststoffen. Es ist wünschenswert, alle diese aufeinanderfolgenden Stufen mit einem Gerät zu untersuchen.

Das Gerät, das entwickelt wurde, kann ohne Modifikation auf drei verschiedene Arten gebraucht werden: Kontinuierliche Scherversuche (als Oberflächen-Couette-Viskosimeter), freie Schwingungen und Kriech- sowie Kriecherholungsversuche.

Bei kontinuierlich-veränderlicher Schubspannung wird eine zylinderförmige Schale mit der wäßrigen Lösung des Hydrokolloids und der Ölschicht mit einer bekannten konstanten Geschwindigkeit um die senkrechte Achse gedreht. Vom Ausschlagwinkel eines zweiseitig konisch zulaufenden Pendels, das mit einem langen Draht in der Öl-Wassergrenzschicht hängt, wird die Schubspannung bestimmt. Die Schergeschwindigkeit folgt aus der Umlaufgeschwindigkeit der Schale.

Bei der freien Schwingung werden die Amplitude und die Periode des bikonischen Pendels durch ein optisches System mit Photozelle und Impulszähleinheit oder direkt durch die Bewegung eines Lichtstrahles, der auf eine horizontale Skala projiziert wird, bestimmt.

Beim Kriech-Versuch wird eine konstante Oberflächen-Schubspannung erzeugt, indem die Verdrehung des vertikalen Drahtes, an dem das bikonische Pendel aufgehängt ist, während des Experimentes konstant gehalten wird. Ein mit Lichtstrahl und Photozelle kontrollierter Servomechanismus dreht die zylinderförmige Schale immer so, daß die Schubspannung gleichbleibt. Die Deformation des Grenzflächenfilmes wird als Anzahl von Impulsen numerisch gespeichert, die dem Schrittmotor des Servomechanismus zugegangen sind.

Die geringste Deformation des Grenzflächenfilmes entspricht einer Winkelbewegung des Pendelkörpers von etwa 3·10−4 im Bogenmaß. Das übertragene Moment ist unabhängig von der Stärke und der Verdrehung des Aufhängedrahtes. Die geringste Verdrehung, die gemessen werden kann, beträgt 0.25°.

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Copyright information

© Dr. Dietrich Steinkopff Verlag 1971

Authors and Affiliations

  • E. Shotton
    • 1
  • K. Wibberley
    • 1
  • B. Warburton
    • 1
  • S. S. Davis
    • 1
  • P. L. Finlay
    • 1
  1. 1.Department of PharmaceuticsSchool of PharmacyLondon, W. C. 1.England

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