Monimutkaisten nesteiden myötörajan määrittäminen värähtelytesteillä rotaatioreometrillä - erilaiset geelinäytteet

Johdanto

Monet monimutkaiset nesteet, kuten verkostomaiset polymeerit, pinta-aktiiviset mesofaasit ja konsentroidut emulsiot, eivät virtaa ennen kuin jännitys ylittää tietyn kriittisen arvon, joka tunnetaan nimellä MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.myötöjännitys. Materiaaleilla, jotka käyttäytyvät näin, sanotaan olevan myötävirtauskäyttäytyminen. MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.Myötöjännitys määritellään siis jännitykseksi, joka näytteeseen on kohdistettava, ennen kuin se alkaa virrata. Myötörajan alapuolella näyte deformoituu elastisesti (kuten jousen venytys), myötörajan yläpuolella näyte virtaa kuin neste.

Useimpia nesteitä, joilla on myötöraja, voidaan pitää rakenteellisena luurankona, joka ulottuu koko järjestelmän tilavuuden yli. Rungon lujuus määräytyy dispergoituneen faasin rakenteen ja sen vuorovaikutusten perusteella. Tavallisesti jatkuvan faasin viskositeetti on alhainen, mutta dispersoidun faasin suuret tilavuusosuudet voivat kuitenkin nostaa viskositeetin tuhatkertaiseksi ja saada aikaan kiinteän kaltaisen käyttäytymisen levossa.

Myötörajan määrittämiseksi on olemassa erilaisia menetelmiä [1], useimmiten käyttäen tasaista leikkauskokeentaa, mutta yksi herkimmistä menetelmistä on värähtelevän amplitudin pyyhkäisy. Tässä testissä käytetään kasvavaa jännitystä tai rasitusta ja seurataan moduulin ja/tai jännityksen muutoksia.

On olemassa erilaisia tapoja tulkita myötöjännitystä amplitudipyyhkäisyn perusteella, kuten kuvassa 1 esitetään. Jotkut työntekijät pitävät G':n alkupudotusta myötörajan mittana, koska se edustaa epälineaarisuuden ja rakenteellisen hajoamisen alkamista, kun taas toiset pitävät G'/G":n ja G'/G":n rajapintaa myötörajana, koska se edustaa siirtymistä kiinteästä käyttäytymisestä nestemäiseen käyttäytymiseen. Näiden tapahtumien välistä vyöhykettä kutsutaan usein myötövyöhykkeeksi.

MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.Myötöjännitys määritellään jännitykseksi, joka näytteeseen on kohdistettava ennen kuin se alkaa virrata.

Uudemmassa menetelmässä mitataan kimmojännityskomponentti σ' (joka liittyy kimmoiseen rakenteeseen G':n kautta) venymäamplitudin funktiona. MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.Myötöjännitys katsotaan huippujännitykseksi ja venymä tässä pisteessä myötöjännitykseksi (ks. kuva 2). Yleensä tämä arvo sopii jonnekin myötöalueelle, ja sen on osoitettu antavan luotettavamman mittaustuloksen myötöjännityksestä, joka korreloi hyvin muiden menetelmien kanssa.

Testitaajuus voi joskus vaikuttaa mitattuun myötöjännitykseen riippuen testattavan materiaalin relaksaatiokäyttäytymisestä. Pienemmät taajuudet antavat paremman kuvan materiaalin ominaisuuksista levossa, mutta pidentävät huomattavasti testin kestoaikaa. Tämän vuoksi käytetään yleisesti arvoja 0,1-10 Hz.

Tässä sovellusohjeessa esitetään menetelmät ja tiedot useista geelinäytteistä.

Kokeellinen

• Seuraavat geelinäytteet arvioitiin: assosiatiivinen polymeeri (HASE)-pinta-aktiivinen järjestelmä, hiusgeeli ja mannaani-/ksantaanikumin vesiliuos veteen.
• Pyörimisreometrimittaukset tehtiin Kinexus-reometrillä, jossa oli Peltier-levypatruuna ja kartio- ja ^{levymittausjärjestelmä2}, ja käyttäen rSpace -ohjelmiston vakiomuotoisia, valmiiksi määritettyjä sekvenssejä.
• Vakioidulla lataussekvenssillä varmistettiin, että näytteisiin sovellettiin johdonmukaista ja hallittavissa olevaa latausprotokollaa.
• Suoritettiin rasitusta kontrolloiva amplitudipyyhkäisy 1 Hz:n taajuudella, ja mitattiin tiedot moduulista ja kimmojännityksestä kohdistetun rasituksen funktiona.
• Kunkin näytteen MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.myötöjännitys määritettiin kimmojännityksen ja venymän välisen datan huippuanalyysin perusteella.
• Kaikki reologiset mittaukset tehtiin 25 °C:ssa.

Tulokset ja keskustelu

Kuvassa 3 esitetään eri näytteiden venymäamplitudipyyhkäisyjen tulokset, ja taulukossa 1 esitetään vastaavat myötöjännityksen ja venymän arvot, jotka on määritetty automaattisen piikkianalyysin avulla.

Taulukko 1: Kimmojännityskuvioiden analyysin perusteella määritetyt myötöjännityksen ja muodonmuutoksen arvot

Hiusgeelillä oli suurin MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.myötöjännitys, jonka mitattu arvo oli 77 Pa. Kumikompleksin MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.myötöjännitys oli 23 Pa, kun taas assosiatiivisen sakeuttamisaineen MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.myötöjännitys oli alhaisin, 11 Pa.

Myötöjännityksen osalta korkein arvo mitattiin kumikompleksille, jonka arvo oli 1,5, mikä viittaa sitkeämpään rakenteeseen. Hiusgeelin arvo oli 0,87 ja assosiatiivisen sakeuttamisaineen (HASE-pinta-aktiivinen aine) arvo 0,2, mikä viittaa hauraampaan rakenteeseen.

Päätelmä

Värähtelyamplitudin pyyhkäisytestillä voidaan määrittää materiaalin MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.myötöjännitys ja venymä. Suositeltavassa testimenetelmässä seurataan kimmojännitystä σ' venymäamplitudin γ funktiona, jolloin MyötöjännitysMyötöjännitys määritellään jännitykseksi, jonka alapuolella ei tapahdu virtausta; se käyttäytyy kirjaimellisesti kuin heikko kiinteä aine levossa ja neste, kun se myötää.myötöjännitys on σ':n mitattu huippuarvo. Tätä testiä on käytetty useiden vesipitoisten geelijärjestelmien myötöjännityksen ja venymän mittaamiseen.

²Huomaa, että myös yhdensuuntaista levygeometriaa voidaan käyttää - tämä geometria on suositeltavampi dispersioille ja emulsioille, joiden hiukkaskoko on large. Tällaiset materiaalityypit saattavat myös vaatia hammastettujen tai karhennettujen geometrioiden käyttöä, jotta vältetään geometrian pinnalla tapahtuvaan liukumiseen liittyvät artefaktat.