Úvod
Gel lze považovat za pevnou trojrozměrnou síť, která pokrývá objem kapaliny medium. Tato síťová struktura může být výsledkem fyzikálních nebo chemických interakcí, což vede ke vzniku fyzikálních, resp. chemických gelů s různým stupněm tuhosti. Chemické gely zahrnují materiály, jako jsou vulkanizované kaučuky a vytvrzené epoxidové pryskyřice, kde jsou příčné vazby kovalentní povahy. Fyzikální gely vznikají prostřednictvím mezimolekulárních asociací v důsledku vodíkové vazby, Van der Waalsových sil nebo elektrostatických interakcí. Mezi takové gely patří například částicové gely, disperze jílů a asociativní polymery.
Pro plně vytvrzenou elastickou pevnou látku lze modul gelu G odhadnout z následujícího výrazu:
kde v je počet "pružně účinných" vláken sítě na jednotku objemu, k je Boltzmannova konstanta a T je teplota. Ačkoli fyzikální gely nemusí nutně odpovídat tomuto vztahu, hodnota G nikdy nesouvisí s vlastnostmi elastické sítě a interakcemi, které mohou záviset na koncentraci polymeru/částic, elektrickém náboji nebo složení.
Proto je G (nebo Modul pružnostiKomplexní modul pružnosti (pružná složka), modul skladování nebo G' je "reálná" část vzorků celkového komplexního modulu pružnosti. Tato pružná složka udává pevnou nebo fázovou odezvu měřeného vzorku. modul pružnosti, G', při dynamických oscilačních zkouškách) důležitým parametrem pro charakterizaci gelů. U ideálního gelu by G' měl být nezávislý na frekvenci, protože nemůže docházet ke strukturní relaxaci; mnoho gelů však vykazuje určitou frekvenční závislost, která svědčí o strukturní relaxaci v různých časových měřítcích. Tento proces RelaxacePokud na pryžovou směs působí konstantní deformace, síla potřebná k udržení této deformace není konstantní, ale s časem klesá; toto chování se nazývá relaxace napětí. Proces odpovědný za relaxaci napětí může být fyzikální nebo chemický a za normálních podmínek probíhají oba současně. relaxace je rovněž důležitý při charakterizaci gelů.
Jedním ze způsobů, jak zachytit obě charakteristiky, je zkouška frekvenčního švihu, která zachycuje změnu G' v závislosti na úhlové frekvenci w. V bodě gelu G' obecně vykazuje mocninný zákon závislosti na frekvenci, který lze charakterizovat pomocí následujícího modelu.
kde k je známo jako relaxační síla a n jako relaxační exponent.
Pro ideální gel má n hodnotu 0, což znamená, že nedochází k žádné strukturní relaxaci (v měřeném frekvenčním rozsahu). Hodnota větší než 0 naznačuje určitý stupeň strukturní RelaxacePokud na pryžovou směs působí konstantní deformace, síla potřebná k udržení této deformace není konstantní, ale s časem klesá; toto chování se nazývá relaxace napětí. Proces odpovědný za relaxaci napětí může být fyzikální nebo chemický a za normálních podmínek probíhají oba současně. relaxace, kvantifikovaný velikostí n. Numericky je k právě hodnota G' při úhlové frekvenci (ω) 1 rad/s.
Dalším zajímavým parametrem je fázový úhel δ, který může odrážet nedokonalosti ve struktuře gelu nebo části struktury, které nejsou "pružně účinné". U dokonalého gelu je fázový úhel nulový, zatímco jakákoli hodnota mezi 0 a 45º naznačuje určitý stupeň viskózního tlumení, které může usnadnit relaxaci.
Další charakteristikou gelů je Mez kluzuMez kluzu je definována jako napětí, pod nímž nedochází k toku; v klidu se chová doslova jako slabá pevná látka a při poddajnosti jako kapalina.mez kluzu, což je napětí potřebné k rozbití trojrozměrné síťové struktury a vyvolání toku. Existují různé metody pro stanovení meze kluzu, avšak jednou z nejcitlivějších metod je oscilační amplitudové měření, které zahrnuje měření pružné složky napětí σ' (spojené s pružnou strukturou prostřednictvím G') jako funkce amplitudy deformace. Za Mez kluzuMez kluzu je definována jako napětí, pod nímž nedochází k toku; v klidu se chová doslova jako slabá pevná látka a při poddajnosti jako kapalina.mez kluzu se pak považuje vrcholové napětí a deformace, při níž k němu dochází, Mez kluzuMez kluzu je definována jako napětí, pod nímž nedochází k toku; v klidu se chová doslova jako slabá pevná látka a při poddajnosti jako kapalina.mez kluzu, která souvisí s křehkostí konstrukce (viz obrázek 1).
Je třeba poznamenat, že Model mocninného zákonaModel mocninného zákona je běžný reologický model pro kvantifikaci (typicky) smykového ztenčení vzorku, přičemž hodnota blížící se nule znamená, že materiál je smykově ztenčenější.model mocninného zákona by měl být použit pouze pro přizpůsobení dat v měřeném frekvenčním rozsahu, protože odchylky od tohoto chování se mohou vyskytnout při nižších nebo vyšších frekvencích.
Experimentální
- Byly hodnoceny tři gelové systémy, včetně gelu na vlasy, komplexu xantanové a mananové gumy a asociativního systému polymerů a povrchově aktivních látek.
- Rotační reometrická měření byla provedena pomocí reometru Kinexus s kazetou s Peltierovou deskou a s použitím měřicího systému s kuželovou deskou1 a s použitím standardních předkonfigurovaných sekvencí v softwaru rSpace.
- Byla použita standardní sekvence zatěžování, aby bylo zajištěno, že oba vzorky byly podrobeny konzistentnímu a kontrolovatelnému protokolu zatěžování.
- Všechna reologická měření byla prováděna při teplotě 25 °C.
- Testy zahrnovaly provedení frekvenčního rozptylu řízeného deformací v lineárním viskoelastickém rozsahu a dosazení modelu mocninného zákona do dat pro určení k a n podle rovnice 2.
- Mez kluzuMez kluzu je definována jako napětí, pod nímž nedochází k toku; v klidu se chová doslova jako slabá pevná látka a při poddajnosti jako kapalina.Mez kluzu a deformace byly určeny ve stejném pořadí provedením následné zkoušky amplitudovým rozptylem za hranicí kritické deformace.
Výsledky a diskuse
Na obrázku 2 je znázorněna závislost G' na ω pro různé gely při teplotě 25 °C a parametry modelu. Tyto výsledky ukazují, že vlasový gel je ze všech tří gelů nejtužší s hodnotou k 301 Pa ve srovnání s hodnotami 194 Pa pro gumový komplex a 63 Pa pro asociativní zahušťovadlo.
U vlasového gelu i gumového komplexu je rovněž patrné, že G' se s frekvencí mění jen velmi málo, což naznačuje, že s časem dochází k malé strukturní relaxaci. To se odráží v relaxačním exponentu n, který je v obou případech blízký nule. Naproti tomu asociativní polymer vykazuje mnohem strmější gradient odpovídající vyšší hodnotě n 0,2.
Na obrázku 3 jsou uvedeny výsledky měření amplitudy deformace při frekvenci 1 Hz, včetně odpovídajících hodnot meze kluzu a deformace, jak byly stanoveny na základě analýzy špiček.
Zdá se, že nejvyšší výtěžnost má gel na vlasy, následovaný gumovým komplexem a asociativním zahušťovadlem. Gel na vlasy proto vyžaduje větší vstupní napětí pro zahájení toku.
Pokud jde o Mez kluzuMez kluzu je definována jako napětí, pod nímž nedochází k toku; v klidu se chová doslova jako slabá pevná látka a při poddajnosti jako kapalina.mez kluzu, nejvyšší hodnota byla naměřena u gumového komplexu, což ukazuje na tvárnější strukturu. Nejnižší hodnotu má asociativní polymer, což naznačuje relativně křehčí strukturu.
Závěr
Pomocí oscilačního testování byly hodnoceny tři gely. Časově závislé vlastnosti gelu byly vyhodnoceny na základě frekvenčního rozptylu a relaxační síla k a relaxační exponent n byly odhadnuty na základě přizpůsobení modelu G' mocninnému zákonu. Kromě toho byly z následného amplitudového měření vyhodnoceny meze kluzu a deformace. Výsledky ukazují, jak lze tento přístup použít ke kvantifikaci a porovnání vlastností různých gelových systémů.
Vezměte prosím na vědomí, že testování se doporučuje provádět s kuželovou a deskovou nebo paralelní deskovou geometrií - přičemž druhá jmenovaná geometrie je vhodnější pro disperze a emulze s velikostí částic large. Tyto typy materiálů mohou také vyžadovat použití vroubkované nebo zdrsněné geometrie, aby se zabránilo artefaktům souvisejícím s prokluzem na povrchu geometrie.