Introduzione
Le misure di oscillazione, che possono essere eseguite con il reometro rotazionale Kinexus, sono utilizzate per caratterizzare le proprietà viscoelastiche dei materiali, ad esempio solidi morbidi come gel o paste, o fluidi complessi come polimeri, emulsioni o sospensioni. In questi esperimenti, viene applicata una deformazione di taglio sinusoidale (controllata dalla deformazione) o una sollecitazione di taglio (controllata dallo Lo stressLa sollecitazione è definita come un livello di forza applicato su un campione con una sezione trasversale ben definita. (Sollecitazione = forza/area). I campioni con sezione trasversale circolare o rettangolare possono essere compressi o allungati. I materiali elastici come la gomma possono essere allungati fino a 5-10 volte la loro lunghezza originale.stress) e la risposta del materiale viene successivamente analizzata.
I principali parametri ottenuti sono:
- Modulo di taglio di accumulo (G'), che fornisce informazioni sul comportamento "solido" di un materiale.
- Modulo di perdita al taglio (G"), relativo al comportamento "liquido" di un materiale.
- Angolo di fase (δ): Questo parametro è indicativo dello sfasamento tra la sollecitazione e la deformazione applicate, facilitando così la determinazione del comportamento del materiale come solido (δ ≈ 0°) o come liquido (δ ≈ 90°).
Sweep di ampiezza: Determinazione della LVER (LinearRegione Viscoelastica Lineare)
Le misure oscillatorie sono generalmente condotte all'interno della Regione viscoelastica lineare (LVER)Nell'LVER, le sollecitazioni applicate non sono sufficienti a causare la rottura strutturale (snervamento) della struttura e quindi si misurano importanti proprietà microstrutturali.regione viscoelastica lineare (LVER), dove la struttura del materiale non viene influenzata dalla deformazione applicata. La Regione viscoelastica lineare (LVER)Nell'LVER, le sollecitazioni applicate non sono sufficienti a causare la rottura strutturale (snervamento) della struttura e quindi si misurano importanti proprietà microstrutturali.LVER viene determinata mediante uno sweep di ampiezza. Questo test determina l'ampiezza massima di deformazione che può essere utilizzata senza provocare una rottura della struttura del materiale per una frequenza e una temperatura definite.
Nell'ambito dell'Regione viscoelastica lineare (LVER)Nell'LVER, le sollecitazioni applicate non sono sufficienti a causare la rottura strutturale (snervamento) della struttura e quindi si misurano importanti proprietà microstrutturali.LVER, le frequenze di oscillazione in ingresso e in uscita sono le stesse (vedi figura 1).
Al contrario, al di là della Regione viscoelastica lineare (LVER)Nell'LVER, le sollecitazioni applicate non sono sufficienti a causare la rottura strutturale (snervamento) della struttura e quindi si misurano importanti proprietà microstrutturali.LVER, l'eccitazione con onda di taglio sinusoidale porta a una risposta non sinusoidale (figura 2). L'oscillazione di ingresso (ad esempio, con una frequenza di base di 1 Hz) si scompone in oscillazioni di diverse frequenze armoniche; si veda la figura 3.
La distorsione armonica è definita come segue:
I1: Ampiezza della frequenza di ingresso
In: Ampiezza dell'ennesima componente armonica della risposta oscillatoria
Una distorsione armonica dello 0% significa una perfetta linearità del segnale. Questo parametro può essere visualizzato nel software di misura e valutazione Kinexus, rSpace, per verificare la correttezza dei dati oscillatori.
Minima distorsione armonica (HD) = Miglior rapporto segnale/rumore
Un esempio è rappresentato nella figura 4: le curve del modulo di taglio elastico (G', rosso), del modulo di taglio viscoso (G'', blu), dell'ampiezza dello sforzo di taglio (σ, verde) e della distorsione armonica (HD, nero) durante uno sweep di ampiezza. La deformazione di taglio, γ, rilevata al minimo di HD corrisponde alla deformazione per un rapporto segnale/rumore ottimale. Questo valore può essere utilizzato per le successive misure oscillatorie (sweep di frequenza, sweep di temperatura, ecc.).
Distorsione armonica per verificare la linearità durante le rampe di temperatura o di frequenza
La Regione viscoelastica lineare (LVER)Nell'LVER, le sollecitazioni applicate non sono sufficienti a causare la rottura strutturale (snervamento) della struttura e quindi si misurano importanti proprietà microstrutturali.regione viscoelastica lineare (LVER) dipende dalle condizioni di misura, come la frequenza e la temperatura. In uno sweep di ampiezza, questi parametri vengono mantenuti costanti per determinare la deformazione appropriata all'interno della Regione viscoelastica lineare (LVER)Nell'LVER, le sollecitazioni applicate non sono sufficienti a causare la rottura strutturale (snervamento) della struttura e quindi si misurano importanti proprietà microstrutturali.LVER. Durante una scansione in frequenza, invece, la frequenza varia durante la prova e la Regione viscoelastica lineare (LVER)Nell'LVER, le sollecitazioni applicate non sono sufficienti a causare la rottura strutturale (snervamento) della struttura e quindi si misurano importanti proprietà microstrutturali.LVER può cambiare di conseguenza. Per garantire che il materiale rimanga all'interno della Regione viscoelastica lineare (LVER)Nell'LVER, le sollecitazioni applicate non sono sufficienti a causare la rottura strutturale (snervamento) della struttura e quindi si misurano importanti proprietà microstrutturali.LVER per l'intera gamma di frequenze, è possibile monitorare il segnale di distorsione armonica come indicatore del comportamento lineare.
Conclusione
La distorsione armonica è un segnale importante da verificare se le misure di oscillazione vengono effettuate nella Regione viscoelastica lineare (LVER)Nell'LVER, le sollecitazioni applicate non sono sufficienti a causare la rottura strutturale (snervamento) della struttura e quindi si misurano importanti proprietà microstrutturali. regione viscoelastica lineare. Riguarda il settore dei polimeri e quello alimentare e farmaceutico:
- Termoplastici: La determinazione della Regione viscoelastica lineare (LVER)Nell'LVER, le sollecitazioni applicate non sono sufficienti a causare la rottura strutturale (snervamento) della struttura e quindi si misurano importanti proprietà microstrutturali.LVER è fondamentale per catturare solo le proprietà intrinseche del materiale durante le misurazioni in frequenza o in temperatura di polimeri e materie plastiche. Se le misurazioni venissero effettuate al di fuori della Regione viscoelastica lineare (LVER)Nell'LVER, le sollecitazioni applicate non sono sufficienti a causare la rottura strutturale (snervamento) della struttura e quindi si misurano importanti proprietà microstrutturali.LVER, potrebbero verificarsi ulteriori cambiamenti strutturali, come l'orientamento delle catene, i distacchi o addirittura il danneggiamento della rete polimerica. Ciò porterebbe a dati di misura distorti e renderebbe inaffidabile la valutazione degli studi di lavorazione o invecchiamento.
- Termoindurenti, rivestimenti e adesivi: Questi sistemi contengono spesso reti sensibili di polimeri o cariche che possono essere distrutte in caso di sollecitazioni eccessive. Se non si tiene conto della Regione viscoelastica lineare (LVER)Nell'LVER, le sollecitazioni applicate non sono sufficienti a causare la rottura strutturale (snervamento) della struttura e quindi si misurano importanti proprietà microstrutturali.LVER, i materiali appaiono troppo morbidi o troppo duri, il che può portare a decisioni errate nella progettazione di applicazioni e processi (ad esempio, finestre di viscosità errate per l'applicazione o previsioni imprecise sull'adesione).
- Alimenti (ad esempio, gel, emulsioni, grassi spalmabili): In questo caso, è particolarmente importante non distruggere la fragile microstruttura (ad esempio, reti di emulsioni, gel proteici, cristalli di grasso) con un taglio eccessivo. Misure al di fuori dell'Regione viscoelastica lineare (LVER)Nell'LVER, le sollecitazioni applicate non sono sufficienti a causare la rottura strutturale (snervamento) della struttura e quindi si misurano importanti proprietà microstrutturali.LVER potrebbero, ad esempio, rompere un gel o riorganizzare i cristalli di grasso, facendo apparire la struttura "artificialmente" più morbida di quanto non sia in realtà. Ciò avrebbe conseguenze dirette sullo sviluppo del prodotto e sul controllo della qualità, in quanto la stabilità, la consistenza in bocca o la spalmabilità verrebbero valutate in modo errato.
- Formulazioni farmaceutiche (ad esempio, creme, paste, sospensioni): Anche in questo caso, l'integrità strutturale è fondamentale, soprattutto quando si valuta la stabilità allo stoccaggio o il rilascio di principi attivi. Se le misurazioni vengono effettuate al di fuori della LVER, il taglio potrebbe alterare le strutture delle particelle o del supporto, portando a una valutazione errata delle proprietà di scorrimento e applicazione. Nel peggiore dei casi, ciò potrebbe avere un impatto sull'efficacia o sulla sicurezza del paziente.
Il fattore di distorsione garantisce che le indagini reologiche vengano eseguite in un intervallo in cui la struttura del materiale rimane intatta. In questo modo si evita che la misurazione stessa distorca il risultato: un prerequisito per ottenere dati affidabili, comparabili e rilevanti per la pratica.