Effect of deformation rate on the stress-strain curves of gelatin gels

Unilever Research Laboratorium Vlaardingen, Olivier van Noortlaan 120, NL-3133 AT Vlaardingen The Netherlands

Abstract

We studied the large deformation rheology of gelatin gels as a function of shear rate (shear deformation) and compression speed (compressive deformation). We fitted experimental stress- strain curves using the phenomenological BST equation and extracted: moduli, breaking stretch and stress, and a parameter that characterizes the non-linear elastic behaviour at large deformations (the elasticity parameter n).

The results could be explained in terms of a mechanism in which rupture of the cross-links is not instantaneous. However, the maximum in the degree of non-linearity of the stress-strain curve (i.e. in n) as a function of deformation rate is more difficult to explain, especially the decrease at higher rates. Apparently, some kind of selection mechanism makes the elastic response of the gel more linear at high deformation rates. We propose that this is due to a combination of the fact that the shortest cross-links break earlier than the longer cross-links at these high deformation rates and the fact that the network bonds are non-linear elastic bonds.

Résumé

Lors de déformations importantes, le comportement de gels de gélatine a été étudié en fonction du taux de cisaillement γ (déformation de cisaillement) et de la vitesse de compression (déformation de compression). On a analysé les courbes contrainte-déformation des expériences grâce à l’équation phénoménologique de Blatz, Sharda et Tschoegl et on en a tiré: des modules, des déformations et des contraintes à rupture, et un paramètre décrivant les caractéristiques de l’élasticité non-linéaire pendant de grandes déformations (le paramètre d’élasticité n).

Les résultats pourraient s’expliquer par un mécanisme de rupture retardée des noeuds. Néanmoins, le fait que le degré de non-linéarité n atteigne sur la courbe un maximum avec la vitesse de déformation est plus difficile à expliquer, surtout en raison de la diminution de n pour des valeurs de vitesses de déformation plus élevées. Apparemment, un mécanisme sélectif rend la réaction élastique plus linéaire quand la vitesse de la déformation est grande. Nous pensons que cela pourrait être dû a la combination de deux phénomènes: d’une part, les noeuds les plus courts rompent avant les noeuds les plus longs à ces grandes vitesses de déformation; d’autre part, les liens du réseau sont des liens élastiques non-linéaires.