Introduction
Un gel peut être considéré comme un réseau tridimensionnel solide qui s'étend sur le volume d'un liquide medium. Cette structure de réseau peut résulter d'interactions physiques ou chimiques, entraînant la formation de gels physiques et chimiques, respectivement avec des degrés de rigidité variables. Les gels chimiques comprennent des matériaux tels que les caoutchoucs vulcanisés et les résines époxy durcies où les liaisons transversales sont de nature covalente. Les gels physiques sont formés par des associations intermoléculaires résultant de liaisons hydrogène, de forces de Van der Waals ou d'interactions électrostatiques. Ces gels comprennent les gels particulaires, les dispersions d'argile et les polymères associatifs, pour n'en citer que quelques-uns.
Pour un solide élastique entièrement durci, le module du gel, G, peut être estimé à partir de l'expression suivante :
où v est le nombre de brins de réseau "élastiquement efficaces" par unité de volume, k est la constante de Boltzmann et T est la température. Bien que les gels physiques ne se conforment pas nécessairement à cette relation, la valeur de G n'en est pas moins liée aux caractéristiques et aux interactions du réseau élastique, qui peuvent dépendre de la concentration, de la charge électrique ou de la composition du polymère/des particules.
Par conséquent, G (ou le module d'élasticité, G', dans les essais d'oscillation dynamique) est un paramètre important pour caractériser les gels. Pour un gel idéal, G' devrait être indépendant de la fréquence puisqu'il ne peut y avoir de relaxation structurelle ; cependant, de nombreux gels présentent une certaine dépendance à la fréquence indiquant une relaxation structurelle sur différentes échelles de temps. Ce processus de relaxation est également important pour la caractérisation des gels.
L'une des façons de saisir ces deux caractéristiques est de procéder à un test de balayage de fréquence qui saisit le changement de G' en fonction de la fréquence angulaire, w. Au point de gélification, G' présente généralement une dépendance en loi de puissance avec la fréquence, qui peut être caractérisée à l'aide du modèle suivant.
où k est connu comme la force de relaxation et n l'exposant de relaxation.
Pour un gel idéal, n a une valeur de 0, ce qui indique qu'il n'y a pas de relaxation structurelle (dans la gamme de fréquences mesurée en tout cas). Une valeur supérieure à 0 indique un certain degré de relaxation structurelle, quantifié par l'ampleur de n. Numériquement, k est simplement la valeur de G' à une fréquence angulaire (ω) de 1 rad/s.
Un autre paramètre intéressant est l'angle de phase δ, qui peut refléter des imperfections dans la structure du gel, ou des parties de la structure qui ne sont pas "élastiquement efficaces". Un gel parfait aura un angle de phase de zéro, tandis que toute valeur comprise entre 0 et 45º suggère un certain degré d'amortissement visqueux qui peut faciliter la relaxation.
Une autre caractéristique des gels est la limite d'élasticité, c'est-à-dire la contrainte nécessaire pour briser la structure tridimensionnelle du réseau et induire un écoulement. Il existe plusieurs méthodes pour déterminer la limite d'élasticité, mais l'une des plus sensibles est le balayage d'amplitude oscillatoire, qui consiste à mesurer la composante de la contrainte élastique σ' (associée à la structure élastique à travers G') en fonction de l'amplitude de la déformation. La limite d'élasticité est alors considérée comme la contrainte maximale et la déformation à laquelle elle se produit, la limite d'élasticité, qui est liée à la fragilité de la structure (voir figure 1).
Il convient de noter que le Modèle de la loi de puissanceLe modèle de la loi de puissance est un modèle rhéologique courant pour quantifier (généralement) la nature de l'amincissement par cisaillement d'un échantillon, la valeur la plus proche de zéro indiquant un matériau qui s'amincit davantage par cisaillement.modèle de loi de puissance ne doit être utilisé que pour ajuster les données sur la plage de fréquences mesurée, car des écarts par rapport à ce comportement peuvent se produire à des fréquences plus basses ou plus élevées.
Expérimental
- Trois systèmes de gel, dont un gel capillaire, un complexe de gomme xanthane-mannane et un système polymère-tensioactif associatif, ont été évalués.
- Les mesures au rhéomètre rotatif ont été effectuées à l'aide d'un rhéomètre Kinexus équipé d'une cartouche à plaque Peltier et d'un système de mesure à plaque conique1, et en utilisant des séquences standard préconfigurées dans le logiciel rSpace.
- Une séquence de chargement standard a été utilisée pour s'assurer que les deux échantillons étaient soumis à un protocole de chargement cohérent et contrôlable.
- Toutes les mesures rhéologiques ont été effectuées à 25°C.
- Les essais ont consisté à effectuer un balayage de fréquence contrôlé par la déformation dans le domaine viscoélastique linéaire et à ajuster un Modèle de la loi de puissanceLe modèle de la loi de puissance est un modèle rhéologique courant pour quantifier (généralement) la nature de l'amincissement par cisaillement d'un échantillon, la valeur la plus proche de zéro indiquant un matériau qui s'amincit davantage par cisaillement.modèle de loi de puissance aux données pour déterminer k et n comme défini dans l'équation 2.
- La limite d'élasticité et la déformation ont été déterminées dans la même séquence en effectuant un test de balayage d'amplitude au-delà de la déformation critique.
Résultats et discussion
La figure 2 montre G' en fonction de ω pour les différents gels à 25°C et les paramètres d'ajustement du modèle. Ces résultats montrent que le gel capillaire est le plus rigide des trois gels avec une valeur k de 301 Pa par rapport à des valeurs de 194 Pa et 63 Pa pour le complexe de gomme et l'épaississant associatif, respectivement.
On peut également constater pour le gel capillaire et le complexe de gomme que G' varie très peu avec la fréquence, ce qui suggère qu'il y a peu de relaxation structurelle avec le temps. Cela se reflète dans l'exposant de relaxation n qui est proche de zéro dans les deux cas. En revanche, le polymère associatif présente un gradient beaucoup plus abrupt correspondant à une valeur n plus élevée de 0,2.
La figure 3 montre les résultats du balayage de l'amplitude de déformation effectué à 1 Hz, y compris les valeurs correspondantes de la limite d'élasticité et de la déformation, telles qu'elles ont été déterminées à partir d'une analyse des pics.
Le gel capillaire semble avoir la contrainte d'écoulement la plus élevée, suivi par le complexe de gomme et l'épaississant associatif. Le gel capillaire nécessitera donc un apport de contrainte plus important pour initier l'écoulement.
En termes de déformation élastique, la valeur la plus élevée a été mesurée pour le complexe de gomme, ce qui indique une structure plus ductile. Le polymère associatif a la valeur la plus faible, ce qui suggère une structure comparativement plus fragile.
Conclusion
Trois gels ont été évalués à l'aide de tests oscillatoires. Les propriétés du gel dépendant du temps ont été évaluées à partir d'un balayage de fréquence et la force de relaxation k et l'exposant de relaxation n ont été estimés à partir d'un ajustement du Modèle de la loi de puissanceLe modèle de la loi de puissance est un modèle rhéologique courant pour quantifier (généralement) la nature de l'amincissement par cisaillement d'un échantillon, la valeur la plus proche de zéro indiquant un matériau qui s'amincit davantage par cisaillement.modèle de loi de puissance de G'. En outre, la limite d'élasticité et la déformation ont été évaluées à partir d'un balayage d'amplitude ultérieur. Les résultats démontrent comment une telle approche peut être utilisée pour quantifier et comparer les propriétés de différents systèmes de gel.
Veuillez noter qu'il est recommandé d'effectuer les essais avec une géométrie de type cône et plaque ou plaque parallèle - cette dernière étant préférable pour les dispersions et les émulsions dont la taille des particules est de large. Ces types de matériaux peuvent également nécessiter l'utilisation de géométries dentelées ou rugueuses pour éviter les artefacts liés au glissement à la surface de la géométrie.