توصيف خواص الهلام باستخدام اختبار التذبذب على مقياس الريومتر الدوراني

مقدمة

يمكن اعتبار الهلام شبكة صلبة ثلاثية الأبعاد تمتد على حجم وسط سائل. يمكن أن ينتج هذا التركيب الشبكي عن تفاعلات فيزيائية أو كيميائية، مما يؤدي إلى تكوين مواد هلامية فيزيائية وكيميائية بدرجات متفاوتة من الصلابة. تشمل المواد الهلامية الكيميائية مواد مثل المطاط المفلكن وراتنجات الإيبوكسي المعالجة حيث تكون الروابط المتقاطعة تساهمية بطبيعتها. تتشكل المواد الهلامية الفيزيائية من خلال الارتباطات بين الجزيئات نتيجة الروابط الهيدروجينية أو قوى فان دير فال أو التفاعلات الكهروستاتيكية. وتتضمن هذه المواد الهلامية المواد الهلامية الجزيئية والمشتتات الطينية والبوليمرات الترابطية على سبيل المثال لا الحصر.

بالنسبة للمادة الصلبة المرنة المعالجة بالكامل، يمكن تقدير معامل الهلام، G، من المقدار التالي:

حيث v هو عدد خيوط الشبكة "الفعّالة مرنًا" لكل وحدة حجم، وk هو ثابت بولتزمان وT هي درجة الحرارة. في حين أن المواد الهلامية الفيزيائية لا تتوافق بالضرورة مع هذه العلاقة، فإن قيمة G لا ترتبط بالضرورة بخصائص الشبكة المرنة وتفاعلاتها، والتي قد تعتمد على تركيز البوليمر/الجسيمات أو الشحنة الكهربائية أو التركيب.

وبالتالي، فإن G (أو المعامل المرن، G '، في الاختبارات التذبذبية الديناميكية) هو معلمة مهمة لتوصيف المواد الهلامية. بالنسبة للمواد الهلامية المثالية، يجب أن يكون G' مستقلاً عن التردد حيث لا يمكن أن يحدث استرخاء هيكلي؛ ومع ذلك، تُظهر العديد من المواد الهلامية بعض الاعتماد على التردد مما يدل على الاسترخاء الهيكلي على نطاقات زمنية مختلفة. تعتبر عملية الاسترخاء هذه مهمة أيضًا عند توصيف المواد الهلامية.

تتمثل إحدى طرق التقاط كلتا الخاصيتين في اختبار مسح التردد الذي يلتقط التغير في G' كدالة للتردد الزاوي، w. عند نقطة الهلام، يُظهر G' بشكل عام اعتمادًا على قانون قوة مع التردد، والذي يمكن توصيفه باستخدام النموذج التالي.

حيث تُعرف k بقوة الاسترخاء وn أس الاسترخاء.

بالنسبة للهلام المثالي تكون قيمة n هي 0 والتي تشير إلى عدم حدوث استرخاء بنيوي (في نطاق التردد المقاس على أي حال). تشير القيمة الأكبر من 0 إلى وجود درجة ما من الاسترخاء البنيوي، والتي يتم تحديدها من خلال مقدار n. عدديًا k هي مجرد قيمة G' عند تردد زاوي (ω) يبلغ 1 راد/ثانية.

هناك معلمة إضافية ذات أهمية وهي زاوية الطور δ، والتي يمكن أن تعكس العيوب في بنية الهلام، أو أجزاء من البنية غير "الفعالة مرنًا". سيكون للمادة الهلامية المثالية زاوية طور تساوي صفرًا في حين أن أي قيمة بين 0 و45 درجة مئوية تشير إلى درجة معينة من التخميد اللزج الذي يمكن أن يسهل الاسترخاء.

ومن الخصائص الأخرى للمواد الهلامية إجهاد الخضوع، وهو الإجهاد المطلوب لتحطيم بنية الشبكة ثلاثية الأبعاد واستحثاث التدفق. هناك طرق مختلفة لتحديد إجهاد الخضوع، ومع ذلك، فإن إحدى أكثر الطرق حساسية هي مسح السعة التذبذبية التي تتضمن قياس مكون الإجهاد المرن σ' (المرتبط بالبنية المرنة من خلال G') كدالة لسعة الانفعال. وبعد ذلك يؤخذ إجهاد الخضوع باعتباره ذروة الإجهاد والإجهاد الذي يحدث عنده، أي إجهاد الخضوع، والذي يرتبط بهشاشة البنية (انظر الشكل 1).

تجدر الإشارة إلى أنه يجب استخدام نموذج قانون القدرة فقط لملاءمة البيانات على نطاق التردد المقيس نظرًا لأن الانحرافات عن هذا السلوك قد تحدث عند الترددات الأقل أو الأعلى.

تجريبي

• تم تقييم ثلاثة أنظمة هلامية بما في ذلك هلام الشعر، ومركب صمغ الزانثان-مانان ونظام بوليمر-خافض للتوتر السطحي الترابطي.
• أُجريت قياسات مقياس الانسيابية الدورانية باستخدام مقياس الانسيابية Kinexus مع خرطوشة لوحة بلتيير وباستخدام ^نظام قياس اللوحة المخروطية1، وباستخدام تسلسلات قياسية معدة مسبقًا في برنامج rSpace.
• تم استخدام تسلسل تحميل قياسي لضمان خضوع كلتا العينتين لبروتوكول تحميل متسق ويمكن التحكم فيه.
• تم إجراء جميع قياسات الريولوجيا عند درجة حرارة 25 درجة مئوية.
• تضمنت الاختبارات إجراء مسح تردد يتم التحكم فيه بالانفعال ضمن نطاق اللزوجة المرنة الخطية وملاءمة نموذج قانون القوة للبيانات لتحديد k وn كما هو محدد في المعادلة 2.
• تم تحديد إجهاد الخضوع والإجهاد في نفس التسلسل عن طريق إجراء اختبار مسح سعة لاحقة بعد الإجهاد الحرج.

النتائج والمناقشة

يوضح الشكل 2 رسم G' مقابل ω للمواد الهلامية المختلفة عند درجة حرارة 25 درجة مئوية ومعلمات ملاءمة النموذج. تُظهر هذه النتائج أن هلام الشعر هو الأكثر صلابة من بين المواد الهلامية الثلاثة بقيمة k 301 باسكال مقارنةً بقيم 194 باسكال و63 باسكال لمركب الصمغ والمكثف الترابطي على التوالي.

يمكن أيضًا ملاحظة أنه بالنسبة لكل من هلام الشعر ومركب الصمغ أن G' يختلف قليلًا جدًا مع التردد مما يشير إلى حدوث استرخاء بنيوي ضئيل مع مرور الوقت. وينعكس ذلك في أس الاسترخاء n الذي يقترب من الصفر في كلتا الحالتين. وعلى النقيض من ذلك، يُظهر البوليمر الترابطي تدرجًا أكثر انحدارًا يتوافق مع قيمة n أعلى تبلغ 0.2.

يوضح الشكل 3 النتائج من مسح سعة الإجهاد الذي تم إجراؤه عند 1 هرتز، بما في ذلك القيم المقابلة لإجهاد الخضوع والإجهاد، كما هو محدد من تحليل الذروة.

يبدو أن جل الشعر لديه أعلى إجهاد إنتاجي، يليه مركب الصمغ والمكثف الترابطي. وبالتالي سيتطلب هلام الشعر مزيدًا من الإجهاد لبدء التدفق.

فيما يتعلق بإجهاد الخضوع، تم قياس أعلى قيمة لمركب الصمغ مما يشير إلى بنية أكثر مرونة. كان للبوليمر الترابطي أقل قيمة، مما يشير إلى بنية أكثر هشاشة نسبيًا.

الخاتمة

تم تقييم ثلاث مواد هلامية باستخدام الاختبار التذبذبي. تم تقييم خواص الهلام المعتمدة على الوقت من مسح التردد وقوة الاسترخاء k وأُس الاسترخاء n المقدرة من نموذج قانون قوة مناسب ل G'. وبالإضافة إلى ذلك، تم تقييم إجهاد الخضوع والإجهاد من مسح السعة اللاحق. توضح النتائج كيف يمكن استخدام هذا النهج لقياس ومقارنة خصائص أنظمة الهلام المختلفة.

يُرجى ملاحظة أنه يوصى بإجراء الاختبار باستخدام هندسة المخروط واللوح أو اللوح المتوازي - مع تفضيل الأخير للمشتتات والمستحلبات ذات أحجام الجسيمات الكبيرة. قد تتطلب هذه الأنواع من المواد أيضًا استخدام أشكال هندسية مسننة أو خشنة لتجنب حدوث خلل في الهندسة المتعلقة بالانزلاق على سطح الهندسة.