Bevezetés
A gél egy szilárd háromdimenziós hálózatnak tekinthető, amely egy folyadék térfogatát átfogja medium. Ez a hálózati struktúra fizikai vagy kémiai kölcsönhatásokból eredhet, ami különböző merevségű fizikai és kémiai gélek kialakulását eredményezi. A kémiai gélek közé tartoznak az olyan anyagok, mint a vulkanizált gumik és a vulkanizált epoxigyanták, ahol a keresztkötések kovalens jellegűek. A fizikai gélek hidrogénkötések, Van der Waals-erők vagy elektrosztatikus kölcsönhatások eredményeként létrejövő intermolekuláris társulások révén jönnek létre. Az ilyen gélek közé tartoznak a részecskés gélek, az agyagdiszperziók és az asszociatív polimerek, hogy csak néhányat említsünk.
Egy teljesen kikeményedett rugalmas szilárd anyag esetében a G gél modulus a következő kifejezéssel becsülhető:
ahol v az egységnyi térfogatra jutó "rugalmasan hatékony" hálózati szálak száma, k a Boltzmann-állandó és T a hőmérséklet. Bár a fizikai gélek nem feltétlenül felelnek meg ennek az összefüggésnek, a G értéke mégis összefügg a rugalmas hálózat jellemzőivel és kölcsönhatásaival, amelyek függhetnek a polimer/részecske koncentrációtól, az elektromos töltéstől vagy az összetételtől.
Következésképpen a G (vagy a dinamikus oszcillációs vizsgálatokban a G' Rugalmassági modulusA komplex modulus (rugalmas komponens), tárolási modulus vagy G', a minták "valós" része a teljes komplex modulus. Ez a rugalmas komponens jelzi a mérendő minta szilárd, vagy fázisban lévő válaszát. rugalmassági modulus) fontos paraméter a gélek jellemzésében. Egy ideális gél esetében a G' értéknek függetlennek kell lennie a frekvenciától, mivel szerkezeti relaxáció nem következhet be; azonban sok gél mutat némi frekvenciafüggést, ami a szerkezeti RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációra utal különböző időskálákon. Ez a RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs folyamat szintén fontos a gélek jellemzésekor.
Mindkét jellemző megragadásának egyik módja a frekvenciasöpréses vizsgálat, amely a G' változását a w szögfrekvencia függvényében mutatja. A gélponton a G' általában a frekvencia függvényében hatványtörvényszerű függést mutat, amely a következő modellel jellemezhető.
ahol k a RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs erősség, n pedig a RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs exponens.
Egy ideális gél esetében az n értéke 0, ami azt jelzi, hogy nem történik szerkezeti relaxáció (a mért frekvenciatartományban mindenképpen). A 0-nál nagyobb érték a szerkezeti relaxáció bizonyos fokára utal, amelyet az n nagysága számszerűsít. Számszerűen k csak a G' értéke 1 rad/s-os szögfrekvencia (ω) mellett.
További érdekes paraméter a δ fázisszög, amely a gélszerkezet tökéletlenségeit vagy a szerkezet azon részeit tükrözheti, amelyek nem "rugalmasan hatékonyak". A tökéletes gél fázisszöge nulla, míg a 0 és 45º közötti értékek a viszkózus csillapítás bizonyos fokára utalnak, ami elősegítheti a RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációt.
A gélek másik jellemzője a Termelési feszültségA folyási feszültséget úgy határozzák meg, mint azt a feszültséget, amely alatt nem következik be áramlás; a szó szoros értelmében nyugalmi állapotban gyenge szilárd anyagként, folyékony anyagként viselkedik, amikor folyik.folyáshatár, amely a háromdimenziós hálózati szerkezet felbomlásához és az áramlás előidézéséhez szükséges feszültség. A Termelési feszültségA folyási feszültséget úgy határozzák meg, mint azt a feszültséget, amely alatt nem következik be áramlás; a szó szoros értelmében nyugalmi állapotban gyenge szilárd anyagként, folyékony anyagként viselkedik, amikor folyik.folyáshatár meghatározására különböző módszerek léteznek, azonban az egyik legérzékenyebb módszer az oszcillációs amplitúdó-söprés, amely a rugalmas feszültségkomponens, σ' (amely a rugalmas szerkezethez kapcsolódik a G' révén) mérését jelenti az alakváltozás amplitúdójának függvényében. A folyási feszültséget ezután a csúcsfeszültségnek és az ezt előidéző alakváltozásnak, a folyási nyúlásnak tekintjük, amely a szerkezet ridegségével függ össze (lásd az 1. ábrát).
Meg kell jegyezni, hogy a Teljesítménytörvény modellA hatványtörvény-modell egy gyakori reológiai modell a minta nyírási hígulásának (tipikusan) számszerűsítésére, ahol a nullához közelebbi érték a nyírási hígabb anyagot jelzi.hatványtörvény-modell csak a mért frekvenciatartományban mért adatok illesztésére használható, mivel alacsonyabb vagy magasabb frekvenciákon eltérések fordulhatnak elő az ilyen viselkedéstől.
Kísérleti
- Három gélrendszert, köztük egy hajzselét, egy xantán-mannán gumikomplexet és egy asszociatív polimer-felületaktív anyag rendszert vizsgáltak.
- A rotációs reométeres méréseket Peltier-lemezes patronnal ellátott Kinexus reométerrel és kúplemezes mérőrendszerrel1, valamint az rSpace szoftverben előre konfigurált standard szekvenciák alkalmazásával végeztük.
- Egy szabványos töltési szekvenciát használtunk annak biztosítására, hogy mindkét minta esetében következetes és ellenőrizhető töltési protokollt alkalmazzunk.
- Minden reológiai mérést 25°C-on végeztünk.
- A vizsgálatok során a lineáris viszkoelasztikus tartományon belüli, feszültségvezérelt frekvenciasöprést végeztek, és a 2. egyenletben meghatározott k és n meghatározásához egy hatványtörvény-modellt illesztettek az adatokhoz.
- A folyáshatárt és a nyúlást ugyanabban a sorrendben határoztuk meg egy következő, a kritikus nyúláson túli amplitúdó-söprési vizsgálat elvégzésével.
Eredmények és vita
A 2. ábra a 25 °C-on végzett különböző gélek esetében a G' és az ω függvényében ábrázolja a modell illesztési paramétereit. Ezek az eredmények azt mutatják, hogy a három gél közül a hajgél a legmerevebb, 301 Pa k értékkel, szemben a 194 Pa és 63 Pa értékekkel a gumikomplex és az asszociatív sűrítőanyag esetében.
Az is látható, hogy mind a hajzselé, mind a gumikomplex esetében a G' nagyon kis mértékben változik a frekvenciával, ami arra utal, hogy az idő múlásával kevés szerkezeti relaxáció következik be. Ezt tükrözi az n RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs exponens is, amely mindkét esetben közel nulla. Ezzel szemben az asszociatív polimer sokkal meredekebb gradienst mutat, ami egy magasabb, 0,2-es n értéknek felel meg.
A 3. ábra az 1 Hz-en végzett alakváltozási amplitúdó-söpörés eredményeit mutatja, beleértve a Termelési feszültségA folyási feszültséget úgy határozzák meg, mint azt a feszültséget, amely alatt nem következik be áramlás; a szó szoros értelmében nyugalmi állapotban gyenge szilárd anyagként, folyékony anyagként viselkedik, amikor folyik.folyáshatár és a nyúlás megfelelő értékeit, ahogyan azokat a csúcselemzésből határozták meg.
Úgy tűnik, hogy a hajzselé rendelkezik a legnagyobb folyáshatárral, ezt követi a gumikomplex és az asszociatív sűrítőanyag. A hajzselé ezért több feszültséget igényel az áramlás beindításához.
A folyási alakváltozás tekintetében a legmagasabb értéket a gumikomplexnél mértük, ami képlékenyebb szerkezetre utal. A legalacsonyabb értéket az asszociatív polimer kapta, ami viszonylag ridegebb szerkezetre utal.
Következtetés
Három gélt vizsgáltak oszcillációs teszteléssel. Az időfüggő géltulajdonságokat frekvenciasöprésből értékeltük, a k RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs erősséget és az n RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs exponenciát pedig a G' hatványtörvényes modell illesztéséből becsültük. Ezenkívül a folyási feszültséget és a nyúlást egy későbbi amplitúdó-söprésből értékelték. Az eredmények azt mutatják, hogy egy ilyen megközelítés hogyan használható a különböző gélrendszerek tulajdonságainak számszerűsítésére és összehasonlítására.
Felhívjuk a figyelmet arra, hogy a vizsgálatot kúp és lemez vagy párhuzamos lemez geometriával ajánlott elvégezni - ez utóbbi a large szemcseméretű diszperziók és emulziók esetében előnyösebb. Az ilyen anyagtípusoknál fogazott vagy érdesített geometria használata is szükséges lehet a geometria felületén történő csúszásból eredő artefaktumok elkerülése érdekében.