Въведение
Гелът може да се разглежда като твърда триизмерна мрежа, която обхваща обема на течност medium. Тази мрежова структура може да е резултат от физични или химични взаимодействия, което води до образуването на физични и химични гелове, съответно с различна степен на твърдост. Химическите гелове включват материали като вулканизирани каучуци и втвърдени епоксидни смоли, при които напречните връзки са ковалентни по природа. Физичните гелове се образуват чрез междумолекулни връзки в резултат на водородни връзки, сили на Ван дер Ваалс или електростатични взаимодействия. Такива гелове включват гелове от частици, дисперсии от глина и асоциативни полимери, за да назовем само някои от тях.
За напълно втвърдено еластично твърдо тяло модулът на гела, G, може да се изчисли по следния израз:
където v е броят на "еластично ефективните" мрежови нишки за единица обем, k е константата на Болцман, а T е температурата. Въпреки че физическите гелове не отговарят непременно на тази зависимост, стойността на G е свързана с характеристиките на еластичната мрежа и взаимодействията, които могат да зависят от концентрацията на полимера/частиците, електрическия заряд или състава.
Следователно G (или еластичният модул, G', при динамични осцилационни тестове) е важен параметър за характеризиране на геловете. За идеален гел G' би трябвало да е независим от честотата, тъй като не може да настъпи структурна релаксация; много гелове обаче показват известна зависимост от честотата, което показва структурна релаксация в различни времеви интервали. Този процес на релаксация също е важен при характеризирането на геловете.
Един от начините за улавяне на двете характеристики е тестът с честотно размахване, който улавя промяната в G' като функция на ъгловата честота w. В точката на гела G' обикновено показва закономерна зависимост от честотата, която може да се характеризира чрез следния модел.
където k е известна като сила на релаксация, а n - като експонента на релаксация.
За идеален гел n има стойност 0, което означава, че не настъпва структурна релаксация (във всеки случай в измервания честотен диапазон). Стойност, по-голяма от 0, предполага известна степен на структурна релаксация, изразена количествено чрез големината на n. Числено k е просто стойността на G' при ъглова честота (ω) от 1 rad/s.
Допълнителен параметър, който представлява интерес, е фазовият ъгъл δ, който може да отразява несъвършенства в структурата на гела или части от структурата, които не са "еластично ефективни". При съвършения гел фазовият ъгъл е равен на нула, докато всяка стойност между 0 и 45º предполага известна степен на вискозно затихване, което може да улесни релаксацията.
Друга характеристика на геловете е границата на провлачване, която е напрежението, необходимо за разрушаване на триизмерната мрежова структура и предизвикване на течение. Съществуват различни методи за определяне на границата на провлачване, но един от най-чувствителните методи е осцилационното амплитудно измерване, което включва измерване на компонентата на еластичното напрежение σ' (свързана с еластичната структура чрез G') като функция на амплитудата на деформацията. След това напрежението на провлачване се приема за пиковото напрежение, а деформацията, при която то се проявява - за деформацията на провлачване, която е свързана с крехкостта на структурата (вж. фигура 1).
Трябва да се отбележи, че моделът на закона на мощността трябва да се използва само за напасване на данни в измервания честотен диапазон, тъй като при по-ниски или по-високи честоти могат да се появят отклонения от това поведение.
Експериментален
- Оценени са три гел системи, включително гел за коса, комплекс от ксантан и мананна гума и асоциативна система от полимерно-повърхностноактивни вещества.
- Измерванията с ротационен реометър бяха извършени с реометър Kinexus с касета с плочи на Пелтие и с помощта на система за измерване на конусовидни плочи1 и с помощта на стандартни предварително конфигурирани последователности в софтуера rSpace.
- Използвана е стандартна последователност на натоварване, за да се гарантира, че и двете проби са подложени на последователен и контролируем протокол на натоварване.
- Всички реологични измервания са извършени при 25°C.
- Тестовете включваха провеждане на контролирано от деформацията честотно размахване в линейния вискоеластичен диапазон и напасване на модел на закона на силата към данните, за да се определят k и n, както е определено в уравнение 2.
- Напрежението на провлачване и деформацията се определят в същата последователност чрез провеждане на последващ тест с амплитудно размахване отвъд критичната деформация.
Резултати и обсъждане
На фигура 2 е показано съотношението между G' и ω за различните гелове, получени при 25°C, и параметрите на модела. Тези резултати показват, че гелът за коса е най-твърдият от трите гела със стойност на k 301 Pa в сравнение със стойности 194 Pa и 63 Pa съответно за гумения комплекс и асоциативния сгъстител.
Както за гела за коса, така и за гумения комплекс може да се види, че G' варира много малко с честотата, което предполага, че с времето се наблюдава малка структурна релаксация. Това е отразено в експонентата на релаксация n, която и в двата случая е близка до нула. За разлика от тях асоциативният полимер показва много по-стръмен градиент, съответстващ на по-висока стойност на n от 0,2.
На фигура 3 са показани резултатите от измерването на амплитудата на деформацията, извършено при честота 1 Hz, включително съответните стойности на границата на провлачане и деформацията, определени от анализа на пиковете.
Гелът за коса се оказва с най-високо напрежение на добив, следван от гумения комплекс и асоциативния сгъстител. Следователно гелът за коса ще изисква по-голямо напрежение, за да започне да тече.
По отношение на деформацията на провлачане най-високата стойност е измерена за гумения комплекс, като по този начин се показва по-пластична структура. Асоциативният полимер има най-ниска стойност, което предполага сравнително по-крехка структура.
Заключение
Три гела бяха оценени с помощта на осцилаторни тестове. Свойствата на гела, зависещи от времето, бяха оценени чрез честотно размахване, а силата на релаксация k и експонентата на релаксация n бяха оценени чрез напасване на модела на закона на мощността на G'. Освен това напрежението на провлачане и деформацията бяха оценени от последващото амплитудно измерване. Резултатите демонстрират как подобен подход може да се използва за количествено определяне и сравняване на свойствата на различни гелни системи.
Моля, обърнете внимание, че се препоръчва изпитването да се извършва с геометрия на конус и плоча или паралелна плоча, като последната е за предпочитане за дисперсии и емулсии с размери на частиците large. Такива типове материали могат да изискват използването на назъбена или грапава геометрия, за да се избегнат артефакти, свързани с приплъзване по повърхността на геометрията.