はじめに
ゲルとは、液体（medium ）の体積に広がる固体の三次元ネットワークと考えることができる。この網目構造は物理的または化学的相互作用から生じ、その結果、様々な程度の硬さを持つ物理的ゲルと化学的ゲルが形成される。化学ゲルには、架橋が共有結合である加硫ゴムや硬化エポキシ樹脂などの材料が含まれる。物理ゲルは、水素結合、ファンデルワールス力、静電相互作用の結果としての分子間会合によって形成される。このようなゲルには、微粒子ゲル、粘土分散体、会合性ポリマーなどがある。
完全に硬化した弾性固体の場合、ゲル弾性率Gは以下の式から推定できる：
ここでvは単位体積あたりの「弾性的に有効な」ネットワーク鎖の数、kはボルツマン定数、Tは温度である。物理的なゲルは必ずしもこの関係に合致するわけではないが、Gの値は、ポリマー/粒子の濃度、電荷、組成に依存する可能性のある弾性ネットワークの特性や相互作用に少なからず関係している。
従ってG（動的振動試験では弾性率G'）は、ゲルを特性評価するための重要なパラメータである。理想的なゲルでは、構造緩和が起こらないため、G'は周波数に依存しないはずです。しかし、多くのゲルでは、異なる時間スケールでの構造緩和を示す周波数依存性が見られます。この緩和過程も、ゲルの特性を評価する際に重要である。
ゲルポイントにおいて、G'は一般に周波数に対するべき乗則依存性を示し、これは以下のモデルを用いて特徴付けることができる。
ここでkは緩和強度、nは緩和指数として知られている。
理想的なゲルの場合、nの値は0であり、構造緩和が起こらないことを示します（いずれにせよ、測定された周波数範囲において）。0より大きい値は、ある程度の構造緩和を示唆し、nの大きさで定量化されます。数値的には、kは1rad/sの角周波数(ω)におけるG'の値である。
これはゲル構造の不完全さ、あるいは「弾性的に有効」でない構造の部分を反映することがある。完全なゲルの位相角はゼロであるが、0から45ºの間の値 は、緩和を促進するある程度の粘性減衰を示唆する。
ゲルのもう一つの特性は降伏応力であり、これは三次元網目 構造を破壊し、流動を誘発するのに必要な応力である。降伏応力を測定する方法には様々なものがありますが、最も感度の高い方法の一つは振動振幅掃引法であり、ひずみ振幅の関数として弾性応力成分σ'（G'を介した弾性構造に関連する）を測定します。そして、降伏応力をピーク応力とし、これが発生したときのひずみを降伏ひずみとして、構造の脆性に関連付けます（図1参照）。
このような挙動からの逸脱は、より低い周波数またはより高い周波数で発生する可能性があるため、べき乗則モデルは、測定された周波数範囲のデータを適合させるためにのみ使用されるべきであることに留意すべきである。
実験的
- ヘアゲル、キサンタン・マンナンガム複合体、および会合性ポリマー・界面活性剤系を含む3つのゲル系を評価した。
- 回転レオメーター測定は、ペルチェプレートカートリッジとコーンプレート測定システム1を備えたKinexusレオメーターを使用し、rSpaceソフトウェアの標準設定済みシーケンスを使用して行いました。
- 両試料が一貫して制御可能な負荷プロトコルに従うように、標準負荷シーケンスが使用された。
- レオロジー測定はすべて25℃で行った。
- 試験では、線形粘弾性範囲内でひずみ制御周波数掃引を行い、データにべき乗則モデルを当てはめて、式2で定義されるkとnを決定した。
- 降伏応力とひずみは、臨界ひずみを超えて振幅掃引試験を行うことにより、同じ順序で決定した。
結果と考察
図2は、25℃で実施した異なるゲルのωに対するG'のプロット、およびモデル適合パラメータを示しています。これらの結果は、ヘアゲルが3つのゲルの中で最も硬く、k値が301 Paであるのに対し、ガムコンプレックスおよび会合性増粘剤はそれぞれ194 Paおよび63 Paであることを示しています。
また、ヘアゲルとガムコンプレックスの両方について、G'は周波数に対してほとんど変化しないことがわかる。これは緩和指数nに反映されており、どちらの場合もゼロに近い。対照的に、会合性ポリマーは、0.2という高いn値に対応する、より急な勾配を示している。
図3は、ピーク解析から求めた降伏応力とひずみの対応値を含め、1Hzで行ったひずみ振幅掃引の結果を示しています。
ヘアジェルの降伏応力が最も高く、次いでガムコンプレックスと増粘剤である。したがって、ヘアジェルが流動を開始するためには、より大きな応力が必要となる。
降伏ひずみに関しては、ガムコンプレックスが最も高い値を示した。会合性ポリマーは最も低い値を示し、比較的もろい構造であることを示唆している。
結論
振動試験を用いて3種類のゲルを評価した。時間依存性のゲル特性は周波数掃引から評価し、緩和強度kと緩和指数nはG'のべき乗則モデルフィットから推定した。さらに、降伏応力とひずみを、その後の振幅掃引から評価した。この結果は、このようなアプローチが、異なるゲル系の特性を定量化し、比較するためにどのように使用できるかを実証している。
コーン・プレートまたはパラレル・プレートのジオメトリーで試験を実施することが推奨され、large 粒径の分散液やエマルションには後者が望ましいことに留意されたい。このような材料タイプでは、ジオメトリー表面でのスリップに関連するアーティファクトを避けるため、鋸歯状ジオメトリーまたは粗面化ジオメトリーの使用も必要となる場合があります。