Introduzione
Un gel può essere considerato come una rete solida tridimensionale che si estende nel volume di un liquido medium. Questa struttura a rete può derivare da interazioni fisiche o chimiche, con conseguente formazione di gel fisici e chimici, rispettivamente con vari gradi di rigidità. I gel chimici comprendono materiali come le gomme vulcanizzate e le resine epossidiche polimerizzate, dove i legami incrociati sono di natura covalente. I gel fisici si formano attraverso associazioni intermolecolari dovute a legami idrogeno, forze di Van der Waals o interazioni elettrostatiche. Tali gel comprendono gel particellari, dispersioni di argilla e polimeri associativi, per citarne alcuni.
Per un solido elastico completamente polimerizzato, il modulo del gel, G, può essere stimato dalla seguente espressione:
dove v è il numero di filamenti di rete "elasticamente efficaci" per unità di volume, k è la costante di Boltzmann e T è la temperatura. Sebbene i gel fisici non siano necessariamente conformi a questa relazione, il valore di G è comunque legato alle caratteristiche e alle interazioni della rete elastica, che possono dipendere dalla concentrazione di polimeri/particelle, dalla carica elettrica o dalla composizione.
Di conseguenza, G (o il Modulo elasticoIl modulo complesso (componente elastica), modulo di conservazione o G', è la parte "reale" del modulo complesso complessivo del campione. Questa componente elastica indica la risposta del campione in fase di misurazione. modulo elastico, G', nelle prove dinamiche oscillatorie) è un parametro importante per la caratterizzazione dei gel. Per un gel ideale, G' dovrebbe essere indipendente dalla frequenza, poiché non può verificarsi un RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento strutturale; tuttavia, molti gel mostrano una certa dipendenza dalla frequenza, indicativa di un RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento strutturale su diverse scale temporali. Questo processo di RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento è importante anche per la caratterizzazione dei gel.
Un modo per catturare entrambe le caratteristiche è un test di sweep di frequenza che cattura la variazione di G' in funzione della frequenza angolare, w. Nel punto di gel, G' mostra generalmente una dipendenza dalla legge di potenza con la frequenza, che può essere caratterizzata utilizzando il seguente modello.
dove k è noto come forza di RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento e n come esponente di RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento.
Per un gel ideale, n ha un valore pari a 0, che indica che non si verifica alcun RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento strutturale (comunque nell'intervallo di frequenza misurato). Un valore superiore a 0 suggerisce un certo grado di RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento strutturale, quantificato dall'entità di n. Numericamente k è solo il valore di G' a una frequenza angolare (ω) di 1 rad/s.
Un ulteriore parametro di interesse è l'angolo di fase δ, che può riflettere imperfezioni nella struttura del gel, o parti della struttura che non sono "elasticamente efficaci". Un gel perfetto avrà un angolo di fase pari a zero, mentre qualsiasi valore compreso tra 0 e 45º suggerisce un certo grado di smorzamento viscoso che può facilitare il RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento.
Un'altra caratteristica dei gel è la Sforzo di snervamentoLa tensione di snervamento è definita come la tensione al di sotto della quale non si verifica alcun flusso; letteralmente si comporta come un solido debole a riposo e come un liquido quando viene ceduto.tensione di snervamento, cioè la tensione necessaria per rompere la struttura tridimensionale della rete e indurre il flusso. Esistono vari metodi per determinare la Sforzo di snervamentoLa tensione di snervamento è definita come la tensione al di sotto della quale non si verifica alcun flusso; letteralmente si comporta come un solido debole a riposo e come un liquido quando viene ceduto.tensione di snervamento, tuttavia uno dei metodi più sensibili è lo sweep di ampiezza oscillatoria, che prevede la misurazione della componente elastica della tensione, σ' (associata alla struttura elastica attraverso G') in funzione dell'ampiezza della deformazione. La sollecitazione di snervamento viene quindi considerata come la sollecitazione di picco e la deformazione alla quale si verifica, la deformazione di snervamento, che è correlata alla fragilità della struttura (si veda la Figura 1).
Si noti che il Modello a legge di potenzaIl modello della legge di potenza è un modello reologico comune per quantificare (tipicamente) la natura di assottigliamento al taglio di un campione, con il valore più vicino a zero che indica un materiale più assottigliato al taglio.modello a legge di potenza deve essere utilizzato solo per adattare i dati all'intervallo di frequenza misurato, poiché possono verificarsi deviazioni da tale comportamento a frequenze inferiori o superiori.
Sperimentale
- Sono stati valutati tre sistemi di gel, tra cui un gel per capelli, un complesso gomma Xanthan-Mannan e un sistema associativo polimero-surfattante.
- Le misure al reometro rotazionale sono state effettuate utilizzando un reometro Kinexus con una cartuccia a piastra di Peltier e un sistema di misura a piastra conica1, e utilizzando sequenze standard preconfigurate nel software rSpace.
- È stata utilizzata una sequenza di caricamento standard per garantire che entrambi i campioni fossero sottoposti a un protocollo di caricamento coerente e controllabile.
- Tutte le misurazioni reologiche sono state eseguite a 25°C.
- I test prevedevano l'esecuzione di uno sweep di frequenza controllato dalla deformazione all'interno dell'intervallo viscoelastico lineare e l'adattamento di un Modello a legge di potenzaIl modello della legge di potenza è un modello reologico comune per quantificare (tipicamente) la natura di assottigliamento al taglio di un campione, con il valore più vicino a zero che indica un materiale più assottigliato al taglio.modello a legge di potenza ai dati per determinare k e n, come definito nell'equazione 2. Lo sforzo e la deformazione di snervamento sono stati determinati con il software rSpace.
- La Sforzo di snervamentoLa tensione di snervamento è definita come la tensione al di sotto della quale non si verifica alcun flusso; letteralmente si comporta come un solido debole a riposo e come un liquido quando viene ceduto.tensione di snervamento e la deformazione sono state determinate nella stessa sequenza eseguendo una successiva prova di sweep di ampiezza oltre la deformazione critica.
Risultati e discussione
La Figura 2 mostra il grafico di G' in funzione di ω per i diversi gel a 25°C e i parametri di adattamento al modello. Questi risultati mostrano che il gel per capelli è il più rigido dei tre gel con un valore k di 301 Pa rispetto ai valori di 194 Pa e 63 Pa per il complesso di gomme e l'addensante associativo, rispettivamente.
Sia per il gel per capelli che per il complesso di gomme si può notare che G' varia molto poco con la frequenza, il che suggerisce che il RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento strutturale avviene poco nel tempo. Ciò si riflette nell'esponente di RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento n, che è vicino a zero in entrambi i casi. Al contrario, il polimero associativo mostra un gradiente molto più ripido, corrispondente a un valore di n più alto, pari a 0,2.
La Figura 3 mostra i risultati dello sweep dell'ampiezza di deformazione eseguito a 1 Hz, compresi i corrispondenti valori di sollecitazione di snervamento e di deformazione, determinati dall'analisi dei picchi.
Il gel per capelli sembra avere la Sforzo di snervamentoLa tensione di snervamento è definita come la tensione al di sotto della quale non si verifica alcun flusso; letteralmente si comporta come un solido debole a riposo e come un liquido quando viene ceduto.tensione di snervamento più elevata, seguito dal complesso di gomme e dall'addensante associativo. Il gel di capelli richiederà quindi un maggiore input di 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 per avviare il flusso.
In termini di tensione di snervamento, il valore più alto è stato misurato per il complesso di gomme, indicando così una struttura più duttile. Il polimero associativo ha il valore più basso, suggerendo una struttura relativamente più fragile.
Conclusione
Tre gel sono stati valutati utilizzando test oscillatori. Le proprietà del gel in funzione del tempo sono state valutate da uno sweep di frequenza e la forza di rilassamento k e l'esponente di rilassamento n sono stati stimati da un modello di legge di potenza di G'. Inoltre, la tensione di snervamento e la deformazione sono state valutate da un successivo sweep di ampiezza. I risultati dimostrano come questo approccio possa essere utilizzato per quantificare e confrontare le proprietà di diversi sistemi di gel.
Si raccomanda di eseguire i test con geometria a cono e piastra o a piastra parallela, preferendo quest'ultima per le dispersioni e le emulsioni con particelle di large dimensioni. Questi tipi di materiali possono anche richiedere l'uso di geometrie dentellate o ruvide per evitare artefatti legati allo scivolamento sulla superficie della geometria.