Johdanto
Geeliä voidaan pitää kiinteänä kolmiulotteisena verkostona, joka kattaa nesteen tilavuuden medium. Tämä verkostorakenne voi olla seurausta fysikaalisista tai kemiallisista vuorovaikutuksista, jolloin muodostuu fysikaalisia ja kemiallisia geelejä, joiden jäykkyys vaihtelee. Kemiallisiin geeleihin kuuluvat materiaalit, kuten vulkanoidut kumit ja kovetetut epoksihartsit, joissa ristisiteet ovat luonteeltaan kovalenttisia. Fysikaaliset geelit muodostuvat molekyylien välisistä yhteyksistä vetysidosten, Van der Waalsin voimien tai sähköstaattisten vuorovaikutusten tuloksena. Tällaisia geelejä ovat esimerkiksi hiukkasmaiset geelit, savidispersiot ja assosiatiiviset polymeerit.
Täysin kovettuneen elastisen kiinteän aineen geelimoduuli G voidaan arvioida seuraavan lausekkeen avulla:
jossa v on "elastisesti tehokkaiden" verkkosäikeiden lukumäärä tilavuusyksikköä kohti, k on Boltzmannin vakio ja T on lämpötila. Vaikka fysikaaliset geelit eivät välttämättä noudata tätä suhdetta, G:n arvo liittyy kuitenkin elastisen verkon ominaisuuksiin ja vuorovaikutuksiin, jotka voivat riippua polymeerin/hiukkasten konsentraatiosta, sähkövarauksesta tai koostumuksesta.
Näin ollen G (tai KimmomoduuliKompleksinen moduuli (kimmokomponentti), varastointimoduuli tai G', on näytteiden "todellinen" osa kokonaiskompleksisesta moduulista. Tämä kimmokomponentti ilmaisee mitattavan näytteen kiinteän kaltaisen tai faasivasteen. kimmomoduuli G' dynaamisissa värähtelykokeissa) on tärkeä parametri geelien karakterisoinnissa. Ihanteellisessa geelissä G':n pitäisi olla riippumaton taajuudesta, koska rakenteellista relaksaatiota ei voi tapahtua; monilla geeleillä on kuitenkin jonkinlainen taajuusriippuvuus, joka viittaa rakenteelliseen relaksaatioon eri aikaskaaloilla. Tämä relaksaatioprosessi on myös tärkeä geelejä luonnehdittaessa.
Yksi tapa kuvata molempia ominaisuuksia on taajuuspyyhkäisytesti, joka kuvaa G':n muutosta kulmataajuuden w funktiona. Geelipisteessä G':llä on yleensä potenssilakiriippuvuus taajuudesta, jota voidaan luonnehtia seuraavan mallin avulla.
jossa k tunnetaan relaksaatiovoimakkuutena ja n relaksaatioeksponenttina.
Ihanteellisessa geelissä n:n arvo on 0, mikä tarkoittaa, että rakenteellista relaksaatiota ei tapahdu (mitatulla taajuusalueella ainakaan). Arvo, joka on suurempi kuin 0, viittaa jonkinasteiseen rakenteelliseen relaksaatioon, jota mitataan n:n suuruudella. Numeerisesti k on vain G':n arvo kulmataajuudella (ω) 1 rad/s.
Kiinnostava lisäparametri on vaihekulma δ, joka voi heijastaa geelin rakenteen epätäydellisyyttä tai rakenteen osia, jotka eivät ole "elastisesti tehokkaita". Täydellisen geelin vaihekulma on nolla, kun taas kaikki arvot välillä 0-45º viittaavat jonkinasteiseen viskoosiseen vaimennukseen, joka voi helpottaa relaksaatiota.
Toinen geelien ominaispiirre on myötöraja, joka on jännitys, joka tarvitaan kolmiulotteisen verkostorakenteen hajottamiseen ja virtauksen aikaansaamiseen. Myötöjännityksen määrittämiseksi on olemassa erilaisia menetelmiä, mutta yksi herkimmistä menetelmistä on värähtelyamplitudin pyyhkäisy, jossa mitataan kimmoisen jännityskomponentin σ' (joka liittyy kimmoiseen rakenteeseen G':n kautta) funktiona venymäamplitudin funktiona. MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.Myötöjännitys on tällöin huippujännitys ja venymä, jossa tämä tapahtuu, eli MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.myötöjännitys, joka liittyy rakenteen haurauteen (ks. kuva 1).
On huomattava, että teholakimallia tulisi käyttää vain mitatun taajuusalueen tietojen sovittamiseen, koska poikkeamia tällaisesta käyttäytymisestä voi esiintyä pienemmillä tai suuremmilla taajuuksilla.
Kokeellinen
- Kolme geelijärjestelmää, mukaan lukien hiusgeeli, ksantaani-mannaanikumi-kompleksi ja assosiatiivinen polymeeri-pinta-aktiivinen järjestelmä, arvioitiin.
- Pyörimisreometrimittaukset tehtiin Kinexus-reometrillä, jossa oli Peltier-levypatruuna ja kartiolevymittausjärjestelmä1, ja käyttäen rSpace -ohjelmiston vakiomuotoisia, valmiiksi konfiguroituja sekvenssejä.
- Vakioidulla lataussekvenssillä varmistettiin, että molempiin näytteisiin sovellettiin johdonmukaista ja hallittavissa olevaa latausprotokollaa.
- Kaikki reologiset mittaukset tehtiin 25 °C:ssa.
- Testeissä suoritettiin venymäohjattu taajuuspyyhkäisy lineaarisella viskoelastisella alueella ja sovitettiin TeholakimalliPotenssilakimalli on yleinen reologinen malli, jonka avulla voidaan (tyypillisesti) kvantifioida näytteen leikkausohennuksen luonnetta, jolloin arvo lähempänä nollaa osoittaa leikkausohennusta voimistavaa materiaalia.potenssilakimalli tietoihin k:n ja n:n määrittämiseksi yhtälön 2 mukaisesti.
- Myötöraja ja venymä määritettiin samassa järjestyksessä suorittamalla seuraavaksi amplitudipyyhkäisytesti kriittisen venymän jälkeen.
Tulokset ja keskustelu
Kuvassa 2 on esitetty G' ja ω funktiona 25 °C:ssa tehdyille eri geeleille sekä mallin sovitusparametrit. Tuloksista käy ilmi, että hiusgeeli on kolmesta geelistä jäykin, sillä sen k-arvo on 301 Pa, kun taas kumikompleksin ja assosiatiivisen sakeuttamisaineen k-arvot ovat 194 Pa ja 63 Pa.
Sekä hiusgeelin että kumikompleksin osalta voidaan myös havaita, että G' vaihtelee hyvin vähän taajuuden mukaan, mikä viittaa siihen, että rakenteellinen relaksaatio on vähäistä ajan myötä. Tämä näkyy relaksaatioeksponentissa n, joka on lähellä nollaa molemmissa tapauksissa. Sitä vastoin assosiatiivisessa polymeerissä gradientti on paljon jyrkempi, mikä vastaa korkeampaa n-arvoa 0,2.
Kuvassa 3 esitetään 1 Hz:n taajuudella suoritetun venymäamplitudipyyhkäisyn tulokset, mukaan lukien vastaavat myötöjännityksen ja venymän arvot, jotka on määritetty huippuanalyysin avulla.
Hiusgeelillä näyttää olevan suurin saantojännitys, ja seuraavina tulevat kumikompleksi ja assosiatiivinen sakeuttamisaine. Hiusgeeli vaatii siis enemmän jännitystä virtauksen käynnistämiseksi.
Myötöjännityksen osalta korkein arvo mitattiin kumikompleksille, mikä osoittaa, että rakenne on sitkeämpi. Assosiatiivisen polymeerin arvo oli alhaisin, mikä viittaa hauraampaan rakenteeseen.
Päätelmä
Kolme geeliä arvioitiin värähtelytestauksella. Ajasta riippuvat geelin ominaisuudet arvioitiin taajuuspyyhkäisyn avulla, ja relaksaatiovoima k ja relaksaatioeksponentti n arvioitiin G':n potenssilakimallin avulla. Lisäksi MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.myötöjännitys ja muodonmuutos arvioitiin myöhemmästä amplitudipyyhkäisystä. Tulokset osoittavat, miten tällaista lähestymistapaa voidaan käyttää erilaisten geelijärjestelmien ominaisuuksien kvantifiointiin ja vertailuun.
Huomaa, että testaus suositellaan tehtäväksi kartio- ja levy- tai rinnakkaislevygeometrialla - jälkimmäinen on suositeltavampi, kun kyseessä ovat dispersiot ja emulsiot, joiden hiukkaskoko on large. Tällaiset materiaalityypit saattavat myös vaatia hammastettujen tai karhennettujen geometrioiden käyttöä, jotta vältetään geometrian pinnalla tapahtuvaan liukumiseen liittyvät artefaktat.