Introducción
Un gel puede considerarse una red sólida tridimensional que abarca el volumen de un líquido medium. Esta estructura de red puede ser el resultado de interacciones físicas o químicas, lo que da lugar a la formación de geles físicos y químicos, respectivamente, con distintos grados de rigidez. Los geles químicos incluyen materiales como los cauchos vulcanizados y las resinas epoxi curadas, en los que los enlaces cruzados son de naturaleza covalente. Los geles físicos se forman mediante asociaciones intermoleculares como resultado de enlaces de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals o interacciones electrostáticas. Tales geles incluyen geles de partículas, dispersiones de arcilla y polímeros asociativos, por nombrar algunos.
Para un sólido elástico completamente Curado (reacciones de reticulación)Traducido literalmente, el término "reticulación" significa "creación de redes cruzadas". En el contexto químico, se utiliza para designar reacciones en las que las moléculas se unen introduciendo enlaces covalentes y formando redes tridimensionales.curado, el módulo de gel, G, puede estimarse a partir de la siguiente expresión:
donde v es el número de hebras de red "elásticamente efectivas" por unidad de volumen, k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura. Aunque los geles físicos no se ajustan necesariamente a esta relación, el valor de G está relacionado con las características e interacciones de la red elástica, que pueden depender de la concentración de polímero/partícula, la carga eléctrica o la composición.
Por consiguiente, G (o el Módulo elásticoEl módulo complejo (componente elástico), módulo de almacenamiento o G', es la parte "real" del módulo complejo global de la muestra. Este componente elástico indica la respuesta sólida, o en fase, de la muestra que se está midiendo. módulo elástico, G', en ensayos dinámicos oscilatorios) es un parámetro importante para caracterizar los geles. Para un gel ideal, G' debería ser independiente de la frecuencia, ya que no puede producirse RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación estructural; sin embargo, muchos geles muestran cierta dependencia de la frecuencia, indicativa de RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación estructural en diferentes escalas de tiempo. Este proceso de RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación también es importante a la hora de caracterizar los geles.
Una forma de captar ambas características es a partir de un ensayo de barrido de frecuencia que capta el cambio en G' en función de la frecuencia angular, w. En el punto de gel, G' muestra generalmente una dependencia de ley de potencia con la frecuencia, que puede caracterizarse utilizando el siguiente modelo.
donde k se conoce como la fuerza de RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación y n el exponente de RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación.
Para un gel ideal, n tiene un valor de 0, lo que indica que no se produce RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación estructural (en cualquier caso, en el rango de frecuencias medido). Un valor superior a 0 sugiere cierto grado de RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación estructural, cuantificado por la magnitud de n. Numéricamente, k no es más que el valor de G' a una frecuencia angular (ω) de 1 rad/s.
Otro parámetro de interés es el ángulo de fase δ, que puede reflejar imperfecciones en la estructura del gel, o partes de la estructura que no son "elásticamente eficaces". Un gel perfecto tendrá un ángulo de fase cero, mientras que cualquier valor entre 0 y 45º sugiere cierto grado de amortiguación viscosa que puede facilitar la RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación.
Otra característica de los geles es el Tensión de fluenciaEl límite elástico se define como la tensión por debajo de la cual no se produce flujo; literalmente, se comporta como un sólido débil en reposo y como un líquido cuando cede.límite elástico, que es la tensión necesaria para romper la estructura tridimensional de la red e inducir el flujo. Existen varios métodos para determinar el Tensión de fluenciaEl límite elástico se define como la tensión por debajo de la cual no se produce flujo; literalmente, se comporta como un sólido débil en reposo y como un líquido cuando cede.límite elástico; sin embargo, uno de los más sensibles es el barrido de amplitud oscilatoria, que consiste en medir el componente de tensión elástica, σ' (asociado a la estructura elástica a través de G') en función de la amplitud de deformación. La Tensión de fluenciaEl límite elástico se define como la tensión por debajo de la cual no se produce flujo; literalmente, se comporta como un sólido débil en reposo y como un líquido cuando cede.tensión de fluencia se toma entonces como la tensión máxima y la deformación a la que se produce, la deformación de fluencia, que está relacionada con la fragilidad de la estructura (véase la figura 1).
Debe tenerse en cuenta que el Modelo de ley de potenciaEl modelo de ley de potencia es un modelo reológico común para cuantificar (típicamente) la naturaleza de adelgazamiento por cizallamiento de una muestra, en el que el valor más cercano a cero indica un material con mayor adelgazamiento por cizallamiento.modelo de ley de potencia sólo debe utilizarse para ajustar los datos en la gama de frecuencias medida, ya que pueden producirse desviaciones de dicho comportamiento a frecuencias más bajas o más altas.
Experimental
- Se evaluaron tres sistemas de gel que incluían un gel capilar, un complejo de goma xantano-manano y un sistema asociativo polímero-surfactante.
- Las mediciones reométricas rotacionales se realizaron con un reómetro Kinexus con un cartucho de placa Peltier y utilizando el sistema de medición de placa cónica1, y empleando secuencias estándar preconfiguradas en el software rSpace.
- Se utilizó una secuencia de carga estándar para garantizar que ambas muestras se sometían a un protocolo de carga coherente y controlable.
- Todas las mediciones reológicas se realizaron a 25°C.
- Las pruebas consistieron en realizar un barrido de frecuencia con deformación controlada dentro del rango viscoelástico lineal y ajustar un Modelo de ley de potenciaEl modelo de ley de potencia es un modelo reológico común para cuantificar (típicamente) la naturaleza de adelgazamiento por cizallamiento de una muestra, en el que el valor más cercano a cero indica un material con mayor adelgazamiento por cizallamiento.modelo de ley de potencia a los datos para determinar k y n, tal y como se define en la ecuación 2. El Tensión de fluenciaEl límite elástico se define como la tensión por debajo de la cual no se produce flujo; literalmente, se comporta como un sólido débil en reposo y como un líquido cuando cede.límite elástico y la deformación se determinaron mediante un Modelo de ley de potenciaEl modelo de ley de potencia es un modelo reológico común para cuantificar (típicamente) la naturaleza de adelgazamiento por cizallamiento de una muestra, en el que el valor más cercano a cero indica un material con mayor adelgazamiento por cizallamiento.modelo de ley de potencia.
- El Tensión de fluenciaEl límite elástico se define como la tensión por debajo de la cual no se produce flujo; literalmente, se comporta como un sólido débil en reposo y como un líquido cuando cede.límite elástico y la deformación se determinaron en la misma secuencia realizando una prueba de barrido de amplitud posterior más allá de la deformación crítica.
Resultados y debate
La figura 2 muestra la relación entre G' y ω para los diferentes geles a 25°C y los parámetros de ajuste del modelo. Estos resultados muestran que el gel para el cabello es el más rígido de los tres geles, con un valor k de 301 Pa, en comparación con los valores de 194 Pa y 63 Pa para el complejo de goma y el espesante asociativo, respectivamente.
También puede observarse, tanto para el gel capilar como para el complejo de goma, que G' varía muy poco con la frecuencia, lo que sugiere que se produce poca RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación estructural con el tiempo. Esto se refleja en el exponente de RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación n, que es cercano a cero en ambos casos. En cambio, el polímero asociativo muestra un gradiente mucho más pronunciado que corresponde a un valor n más alto de 0,2.
La figura 3 muestra los resultados del barrido de amplitud de deformación realizado a 1 Hz, incluidos los valores correspondientes de límite elástico y deformación, determinados a partir de un análisis de picos.
El gel capilar parece tener el mayor límite elástico, seguido del complejo de goma y el espesante asociativo. Por lo tanto, el gel capilar necesitará más tensión para iniciar el flujo.
En cuanto a la deformación elástica, el valor más alto se midió en el complejo de goma, lo que indica una estructura más dúctil. El polímero asociativo tiene el valor más bajo, lo que sugiere una estructura comparativamente más quebradiza.
Conclusión
Se evaluaron tres geles mediante ensayos oscilatorios. Las propiedades del gel dependientes del tiempo se evaluaron a partir de un barrido de frecuencia y la fuerza de relajación k y el exponente de relajación n se estimaron a partir de un ajuste del Modelo de ley de potenciaEl modelo de ley de potencia es un modelo reológico común para cuantificar (típicamente) la naturaleza de adelgazamiento por cizallamiento de una muestra, en el que el valor más cercano a cero indica un material con mayor adelgazamiento por cizallamiento.modelo de ley de potencia de G'. Además, el límite elástico y la deformación se evaluaron a partir de un barrido de amplitud posterior. Los resultados demuestran que este método puede utilizarse para cuantificar y comparar las propiedades de distintos sistemas de gel.
Tenga en cuenta que se recomienda realizar los ensayos con geometría de cono y placa o de placa paralela, siendo preferible esta última para dispersiones y emulsiones con tamaños de partículas large. Estos tipos de materiales también pueden requerir el uso de geometrías dentadas o rugosas para evitar artefactos relacionados con el deslizamiento en la superficie de la geometría.