Εισαγωγή
Μια γέλη μπορεί να θεωρηθεί ως ένα στερεό τρισδιάστατο δίκτυο που καλύπτει τον όγκο ενός υγρού medium. Αυτή η δομή δικτύου μπορεί να προκύψει από φυσικές ή χημικές αλληλεπιδράσεις, με αποτέλεσμα το σχηματισμό φυσικών και χημικών πηκτωμάτων, αντίστοιχα, με διαφορετικό βαθμό ακαμψίας. Τα χημικά πηκτώματα περιλαμβάνουν υλικά όπως τα βουλκανισμένα ελαστικά και οι σκληρυμένες εποξειδικές ρητίνες, όπου οι σταυροδεσμοί είναι ομοιοπολικοί στη φύση τους. Τα φυσικά πηκτώματα σχηματίζονται μέσω διαμοριακών ενώσεων ως αποτέλεσμα δεσμών υδρογόνου, δυνάμεων Van der Waals ή ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων. Τέτοιες πηκτές περιλαμβάνουν τις σωματιδιακές πηκτές, τις διασπορές αργίλου και τα συσχετιζόμενα πολυμερή, για να αναφέρουμε μερικά από αυτά.
Για ένα πλήρως σκληρυμένο ελαστικό στερεό, το μέτρο πηκτής, G, μπορεί να εκτιμηθεί από την ακόλουθη έκφραση:
όπου v είναι ο αριθμός των "ελαστικά αποτελεσματικών" κλώνων του δικτύου ανά μονάδα όγκου, k είναι η σταθερά Boltzmann και Τ είναι η θερμοκρασία. Ενώ οι φυσικές πηκτές δεν συμμορφώνονται απαραίτητα με αυτή τη σχέση, η τιμή του G δεν παύει να σχετίζεται με τα χαρακτηριστικά και τις αλληλεπιδράσεις του ελαστικού δικτύου, τα οποία μπορεί να εξαρτώνται από τη συγκέντρωση πολυμερούς/σωματιδίων, το ηλεκτρικό φορτίο ή τη σύνθεση.
Κατά συνέπεια, το G (ή το Ελαστικό Μέτρο, G', σε δυναμικές ταλαντωτικές δοκιμές) είναι μια σημαντική παράμετρος για τον χαρακτηρισμό των πηκτωμάτων. Για ένα ιδανικό πήκτωμα, το G' θα πρέπει να είναι ανεξάρτητο από τη συχνότητα, δεδομένου ότι δεν μπορεί να συμβεί δομική χαλάρωση- ωστόσο, πολλά πηκτώματα παρουσιάζουν κάποια εξάρτηση από τη συχνότητα, ενδεικτική της δομικής χαλάρωσης σε διαφορετικές χρονικές κλίμακες. Αυτή η διαδικασία χαλάρωσης είναι επίσης σημαντική κατά τον χαρακτηρισμό των πηκτωμάτων.
Ένας τρόπος για να καταγραφούν και τα δύο χαρακτηριστικά είναι από μια δοκιμή σάρωσης συχνότητας, η οποία καταγράφει τη μεταβολή του G' ως συνάρτηση της γωνιακής συχνότητας, w. Στο σημείο του πηκτώματος, το G' παρουσιάζει γενικά μια εξάρτηση του νόμου ισχύος με τη συχνότητα, η οποία μπορεί να χαρακτηριστεί χρησιμοποιώντας το ακόλουθο μοντέλο.
όπου k είναι γνωστή ως η δύναμη χαλάρωσης και n ο εκθέτης χαλάρωσης.
Για ένα ιδανικό πήκτωμα το n έχει τιμή 0, η οποία υποδηλώνει ότι δεν υπάρχει δομική χαλάρωση (στο μετρούμενο εύρος συχνοτήτων ούτως ή άλλως). Μια τιμή μεγαλύτερη του 0 υποδηλώνει κάποιο βαθμό δομικής χαλάρωσης, που ποσοτικοποιείται από το μέγεθος του n. Αριθμητικά το k είναι απλώς η τιμή του G' σε γωνιακή συχνότητα (ω) 1 rad/s.
Μια πρόσθετη παράμετρος ενδιαφέροντος είναι η γωνία φάσης δ, η οποία μπορεί να αντανακλά ατέλειες στη δομή της γέλης ή τμήματα της δομής που δεν είναι "ελαστικά αποτελεσματικά". Ένα τέλειο πήκτωμα θα έχει γωνία φάσης μηδέν, ενώ οποιαδήποτε τιμή μεταξύ 0 και 45º υποδηλώνει κάποιο βαθμό ιξώδους απόσβεσης που μπορεί να διευκολύνει τη χαλάρωση.
Ένα άλλο χαρακτηριστικό των πηκτωμάτων είναι η τάση διαρροής, η οποία είναι η τάση που απαιτείται για να διασπαστεί η τρισδιάστατη δομή του δικτύου και να προκληθεί ροή. Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι για τον προσδιορισμό της τάσης διαρροής, ωστόσο μία από τις πιο ευαίσθητες μεθόδους είναι η σάρωση με ταλαντωτικό πλάτος, η οποία περιλαμβάνει τη μέτρηση της συνιστώσας της ελαστικής τάσης, σ' (που συνδέεται με την ελαστική δομή μέσω του G') ως συνάρτηση του πλάτους της τάσης. Η τάση διαρροής λαμβάνεται στη συνέχεια ως η μέγιστη τάση και η τάση στην οποία συμβαίνει αυτό, η τάση διαρροής, η οποία σχετίζεται με την ευθραυστότητα της δομής (βλέπε σχήμα 1).
Θα πρέπει να σημειωθεί ότι το μοντέλο νόμου ισχύος θα πρέπει να χρησιμοποιείται μόνο για την προσαρμογή δεδομένων στο μετρούμενο εύρος συχνοτήτων, δεδομένου ότι αποκλίσεις από την εν λόγω συμπεριφορά μπορεί να εμφανιστούν σε χαμηλότερες ή υψηλότερες συχνότητες.
Πειραματικό
- Αξιολογήθηκαν τρία συστήματα πηκτωμάτων, συμπεριλαμβανομένου ενός πηκτώματος για τα μαλλιά, ενός συμπλόκου κόμμεως ξανθάνης-μαννάνης και ενός συστήματος πολυμερούς-επικαλυπτικού παράγοντα.
- Οι μετρήσεις με περιστροφικό ρεόμετρο πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση ενός ρεομέτρου Kinexus με φυσίγγιο πλάκας Peltier και με τη χρήση συστήματος μέτρησης κωνικής πλάκας1 και με τη χρήση τυποποιημένων προκαθορισμένων ακολουθιών στο λογισμικό rSpace.
- Χρησιμοποιήθηκε μια τυποποιημένη ακολουθία φόρτωσης για να εξασφαλιστεί ότι και τα δύο δείγματα υποβλήθηκαν σε ένα συνεπές και ελεγχόμενο πρωτόκολλο φόρτωσης.
- Όλες οι μετρήσεις ρεολογίας πραγματοποιήθηκαν στους 25°C.
- Οι δοκιμές περιελάμβαναν την εκτέλεση μιας σάρωσης συχνότητας ελεγχόμενης από την παραμόρφωση εντός της γραμμικής ιξωδοελαστικής περιοχής και την προσαρμογή ενός μοντέλου νόμου δύναμης στα δεδομένα για τον προσδιορισμό των k και n, όπως ορίζεται στην εξίσωση 2.
- Το όριο διαρροής και η παραμόρφωση προσδιορίστηκαν με την ίδια σειρά εκτελώντας μια επόμενη δοκιμή σάρωσης πλάτους πέραν της κρίσιμης παραμόρφωσης.
Αποτελέσματα και συζήτηση
Στο Σχήμα 2 παρουσιάζεται το G' συναρτήσει του ω για τις διάφορες πηκτές που εκτελέστηκαν στους 25°C και οι παράμετροι προσαρμογής του μοντέλου. Τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν ότι το τζελ μαλλιών είναι το πιο δύσκαμπτο από τα τρία τζελ με τιμή k 301 Pa σε σύγκριση με τιμές 194 Pa και 63 Pa για το σύμπλοκο κόμμεος και το συνδετικό πηκτικό, αντίστοιχα.
Μπορεί επίσης να διαπιστωθεί τόσο για το τζελ μαλλιών όσο και για το σύμπλοκο κόμμεος ότι το G' μεταβάλλεται πολύ λίγο με τη συχνότητα, γεγονός που υποδηλώνει ότι συμβαίνει μικρή δομική χαλάρωση με το χρόνο. Αυτό αντικατοπτρίζεται στον εκθέτη χαλάρωσης n που είναι κοντά στο μηδέν και στις δύο περιπτώσεις. Αντίθετα, το συσχετιζόμενο πολυμερές παρουσιάζει μια πολύ πιο απότομη κλίση που αντιστοιχεί σε μια υψηλότερη τιμή n της τάξης του 0,2.
Στο Σχήμα 3 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της σάρωσης πλάτους παραμόρφωσης που πραγματοποιήθηκε σε 1 Hz, συμπεριλαμβανομένων των αντίστοιχων τιμών του ορίου διαρροής και της παραμόρφωσης, όπως προσδιορίστηκαν από την ανάλυση κορυφής.
Το τζελ μαλλιών φαίνεται να έχει το υψηλότερο όριο απόδοσης, ακολουθούμενο από το σύμπλεγμα κόμμεων και το συνδετικό πυκνωτικό. Συνεπώς, το τζελ μαλλιών θα απαιτήσει μεγαλύτερη εισροή τάσης για την έναρξη της ροής.
Όσον αφορά την τάση διαρροής, η υψηλότερη τιμή μετρήθηκε για το σύμπλοκο κόμμεος, υποδεικνύοντας έτσι μια πιο όλκιμη δομή. Το συνδετικό πολυμερές έχει τη χαμηλότερη τιμή, υποδηλώνοντας μια συγκριτικά πιο εύθραυστη δομή.
Συμπέρασμα
Τρία πηκτώματα αξιολογήθηκαν με τη χρήση ταλαντωτικών δοκιμών. Οι εξαρτώμενες από το χρόνο ιδιότητες της γέλης αξιολογήθηκαν από μια σάρωση συχνότητας και η δύναμη χαλάρωσης k και ο εκθέτης χαλάρωσης n εκτιμήθηκαν από μια προσαρμογή του μοντέλου νόμου δύναμης του G'. Επιπλέον, η τάση διαρροής και η παραμόρφωση αξιολογήθηκαν από μια επακόλουθη σάρωση πλάτους. Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν πώς μια τέτοια προσέγγιση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ποσοτικοποίηση και τη σύγκριση των ιδιοτήτων διαφορετικών συστημάτων πηκτής.
Σημειώστε ότι οι δοκιμές συνιστάται να διεξάγονται με γεωμετρία κώνου και πλάκας ή παράλληλης πλάκας - με την τελευταία να προτιμάται για διασπορές και γαλακτώματα με μεγέθη σωματιδίων large. Αυτοί οι τύποι υλικών μπορεί επίσης να απαιτούν τη χρήση οδοντωτών ή τραχιών γεωμετριών για την αποφυγή αντικειμένων που σχετίζονται με την ολίσθηση στην επιφάνεια της γεωμετρίας.