Introduktion
En gel kan betragtes som et fast tredimensionelt netværk, der spænder over volumenet af en væske medium. Denne netværksstruktur kan skyldes fysiske eller kemiske interaktioner, hvilket resulterer i dannelsen af henholdsvis fysiske og kemiske geler med varierende grader af stivhed. Kemiske geler omfatter materialer som vulkaniseret gummi og hærdede epoxyharpikser, hvor tværbindingerne er kovalente af natur. Fysiske geler dannes gennem intermolekylære forbindelser som følge af hydrogenbinding, Van der Waals-kræfter eller elektrostatiske interaktioner. Sådanne geler omfatter partikelgeler, lerdispersioner og associative polymerer for at nævne nogle få.
For et fuldt hærdet elastisk fast stof kan gelmodulet, G, estimeres ud fra følgende udtryk:
hvor v er antallet af "elastisk effektive" netværksstrenge pr. volumenenhed, k er Boltzmann-konstanten, og T er temperaturen. Selvom fysiske geler ikke nødvendigvis er i overensstemmelse med dette forhold, er værdien af G ikke desto mindre relateret til de elastiske netværksegenskaber og interaktioner, som kan være afhængige af polymer-/partikelkoncentrationen, den elektriske ladning eller sammensætningen.
Derfor er G (eller det elastiske modul, G', i dynamiske oscillationstests) en vigtig parameter til karakterisering af geler. For en ideel gel bør G' være uafhængig af frekvensen, da der ikke kan forekomme strukturel AfslapningNår en gummiblanding udsættes for en konstant belastning, er den kraft, der er nødvendig for at opretholde belastningen, ikke konstant, men aftager med tiden; denne adfærd kaldes spændingsaflastning. Den proces, der er ansvarlig for spændingsaflastning, kan være fysisk eller kemisk, og under normale forhold vil begge dele forekomme på samme tid. afslapning; men mange geler viser en vis frekvensafhængighed, der indikerer strukturel AfslapningNår en gummiblanding udsættes for en konstant belastning, er den kraft, der er nødvendig for at opretholde belastningen, ikke konstant, men aftager med tiden; denne adfærd kaldes spændingsaflastning. Den proces, der er ansvarlig for spændingsaflastning, kan være fysisk eller kemisk, og under normale forhold vil begge dele forekomme på samme tid. afslapning over forskellige tidsskalaer. Denne afslapningsproces er også vigtig, når man skal karakterisere geler.
En måde at indfange begge egenskaber på er ved hjælp af en frekvenssweep-test, som indfanger ændringen i G' som en funktion af vinkelfrekvensen, w. Ved gelpunktet viser G' generelt en potenslovsafhængighed med frekvensen, som kan karakteriseres ved hjælp af følgende model.
hvor k er kendt som relaxationsstyrken og n relaxationseksponenten.
For en ideel gel har n en værdi på 0, hvilket indikerer, at der ikke sker nogen strukturel AfslapningNår en gummiblanding udsættes for en konstant belastning, er den kraft, der er nødvendig for at opretholde belastningen, ikke konstant, men aftager med tiden; denne adfærd kaldes spændingsaflastning. Den proces, der er ansvarlig for spændingsaflastning, kan være fysisk eller kemisk, og under normale forhold vil begge dele forekomme på samme tid. afslapning (i hvert fald i det målte frekvensområde). En værdi større end 0 antyder en vis grad af strukturel AfslapningNår en gummiblanding udsættes for en konstant belastning, er den kraft, der er nødvendig for at opretholde belastningen, ikke konstant, men aftager med tiden; denne adfærd kaldes spændingsaflastning. Den proces, der er ansvarlig for spændingsaflastning, kan være fysisk eller kemisk, og under normale forhold vil begge dele forekomme på samme tid. afslapning, kvantificeret ved størrelsen af n. Numerisk set er k bare værdien af G' ved en vinkelfrekvens (ω) på 1 rad/s.
En yderligere parameter af interesse er fasevinklen δ, som kan afspejle ufuldkommenheder i gelstrukturen eller dele af strukturen, som ikke er "elastisk effektive". En perfekt gel vil have en fasevinkel på nul, mens enhver værdi mellem 0 og 45º tyder på en vis grad af viskøs dæmpning, som kan lette afspændingen.
En anden egenskab ved geler er flydespændingen, som er den spænding, der skal til for at nedbryde den tredimensionelle netværksstruktur og fremkalde flow. Der er forskellige metoder til at bestemme flydespændingen, men en af de mest følsomme metoder er et oscillatorisk amplitude-sweep, som involverer måling af den elastiske spændingskomponent, σ' (forbundet med den elastiske struktur gennem G') som en funktion af belastningsamplituden. Flydespændingen tages derefter som den maksimale spænding og den tøjning, hvor dette sker, flydespændingen, som er relateret til strukturens skørhed (se figur 1).
Det skal bemærkes, at power law-modellen kun bør bruges til at tilpasse data over det målte frekvensområde, da der kan forekomme afvigelser fra en sådan adfærd ved lavere eller højere frekvenser.
Eksperimentel
- Tre gelsystemer, herunder en hårgel, et Xanthan-Mannan-gummikompleks og et associativt polymer-overfladeaktivt system, blev evalueret.
- Der blev foretaget rotationsreometermålinger med et Kinexus-reometer med en Peltier-pladepatron og et cone-plate-målesystem1 ved hjælp af forudkonfigurerede standardsekvenser i rSpace-softwaren.
- Der blev brugt en standardbelastningssekvens for at sikre, at begge prøver blev udsat for en ensartet og kontrollerbar belastningsprotokol.
- Alle reologimålinger blev udført ved 25 °C.
- Testene omfattede udførelse af et belastningskontrolleret frekvenssweep inden for det lineære viskoelastiske område og tilpasning af en potenslovsmodel til dataene for at bestemme k og n som defineret i ligning 2.
- Flydespændingen og tøjningen blev bestemt i samme rækkefølge ved at udføre en efterfølgende amplitude sweep-test ud over den kritiske tøjning.
Resultater og diskussion
Figur 2 viser G' plottet mod ω for de forskellige geler ved 25 °C og de parametre, der passer til modellen. Disse resultater viser, at hårgelen er den stiveste af de tre geler med en k-værdi på 301 Pa sammenlignet med værdier på 194 Pa og 63 Pa for henholdsvis gummikomplekset og det associative fortykningsmiddel.
Det kan også ses for både hårgelen og gummikomplekset, at G' varierer meget lidt med frekvensen, hvilket tyder på, at der kun sker en lille strukturel AfslapningNår en gummiblanding udsættes for en konstant belastning, er den kraft, der er nødvendig for at opretholde belastningen, ikke konstant, men aftager med tiden; denne adfærd kaldes spændingsaflastning. Den proces, der er ansvarlig for spændingsaflastning, kan være fysisk eller kemisk, og under normale forhold vil begge dele forekomme på samme tid. afslapning med tiden. Dette afspejles i afslapningseksponenten n, som er tæt på nul i begge tilfælde. I modsætning hertil viser den associative polymer en meget stejlere gradient svarende til en højere n-værdi på 0,2.
Figur 3 viser resultaterne fra sweepet af belastningsamplituden udført ved 1 Hz, inklusive de tilsvarende værdier for FlydespændingFlydespænding defineres som den spænding, hvorunder der ikke sker nogen flydning; opfører sig bogstaveligt talt som et svagt fast stof i hvile og en væske, når det giver efter.flydespænding og StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning, som bestemt ud fra en peak-analyse.
Hårgelen ser ud til at have den højeste FlydespændingFlydespænding defineres som den spænding, hvorunder der ikke sker nogen flydning; opfører sig bogstaveligt talt som et svagt fast stof i hvile og en væske, når det giver efter.flydespænding, efterfulgt af gummikomplekset og det associative fortykningsmiddel. Hårgelen vil derfor kræve mere StressStress defineres som et kraftniveau, der påføres en prøve med et veldefineret tværsnit. (Spænding = kraft/areal). Prøver med et cirkulært eller rektangulært tværsnit kan komprimeres eller strækkes. Elastiske materialer som gummi kan strækkes op til 5 til 10 gange deres oprindelige længde.stress for at starte et flow.
Med hensyn til FlydespændingFlydespænding defineres som den spænding, hvorunder der ikke sker nogen flydning; opfører sig bogstaveligt talt som et svagt fast stof i hvile og en væske, når det giver efter.flydespænding blev den højeste værdi målt for gummikomplekset, hvilket indikerer en mere duktil struktur. Den associative polymer har den laveste værdi, hvilket tyder på en forholdsvis mere skør struktur.
Konklusion
Tre geler blev evalueret ved hjælp af oscillerende test. Tidsafhængige gelegenskaber blev evalueret ud fra et frekvenssweep, og relaxationsstyrken k og relaxationseksponenten n blev estimeret ud fra en power law-modeltilpasning af G'. Desuden blev FlydespændingFlydespænding defineres som den spænding, hvorunder der ikke sker nogen flydning; opfører sig bogstaveligt talt som et svagt fast stof i hvile og en væske, når det giver efter.flydespænding og -StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.stamme evalueret ud fra et efterfølgende amplitude-sweep. Resultaterne demonstrerer, hvordan en sådan tilgang kan bruges til at kvantificere og sammenligne forskellige gelsystemers egenskaber.
Bemærk, at det anbefales at teste med kegle- og plade- eller parallelpladegeometri - hvor sidstnævnte foretrækkes til dispersioner og emulsioner med large partikelstørrelser. Sådanne materialetyper kan også kræve brug af savtakkede eller ru geometrier for at undgå artefakter i forbindelse med glidning på geometriens overflade.