회전 레오미터의 진동 테스트를 사용한 젤 특성 분석

소개

젤은 액체의 부피에 걸쳐 있는 고체 3차원 네트워크로 간주할 수 있습니다 medium. 이 네트워크 구조는 물리적 또는 화학적 상호 작용으로 인해 물리적 젤과 화학적 젤이 각각 다양한 강도를 가진 형태로 형성될 수 있습니다. 화학적 겔에는 가황 고무 및 경화 에폭시 수지와 같이 가교가 공유 결합인 물질이 포함됩니다. 물리적 젤은 수소 결합, 반데르발스 힘 또는 정전기적 상호 작용의 결과로 분자 간 결합을 통해 형성됩니다. 이러한 겔에는 입자 겔, 점토 분산액, 결합 폴리머 등이 있습니다.

완전히 경화된 탄성 고체의 경우 겔 계수 G는 다음 식을 통해 추정할 수 있습니다:

여기서 v는 단위 부피당 '탄성적으로 효과적인' 네트워크 가닥의 수, k는 볼츠만 상수, T는 온도입니다. 물리적 젤이 반드시 이 관계를 따르는 것은 아니지만, G의 값은 폴리머/입자 농도, 전하 또는 구성에 따라 달라질 수 있는 탄성 네트워크 특성 및 상호 작용과 결코 작지 않은 관련이 있습니다.

따라서 G(또는 동적 진동 테스트의 탄성 계수인 G')는 겔을 특성화하는 데 중요한 매개 변수입니다. 이상적인 젤의 경우 구조적 이완이 발생할 수 없기 때문에 G' 는 주파수와 무관해야 하지만, 많은 젤은 다양한 시간 척도에 걸쳐 구조적 이완을 나타내는 주파수 의존성을 보입니다. 이러한 이완 과정은 겔의 특성을 분석할 때도 중요합니다.

두 가지 특성을 모두 포착하는 한 가지 방법은 각도 주파수 w의 함수로서 G' 의 변화를 포착하는 주파수 스윕 테스트를 이용하는 것입니다. 겔 지점에서 G' 는 일반적으로 주파수에 대한 전력법 의존성을 나타내며, 다음 모델을 사용하여 특성화할 수 있습니다.

여기서 k는 이완 강도, n은 이완 지수로 알려져 있습니다.

이상적인 젤의 경우 n의 값은 0이며, 이는 구조적 이완이 발생하지 않음을 나타냅니다(측정된 주파수 범위에서는 어쨌든). 0보다 큰 값은 n의 크기로 정량화된 어느 정도의 구조적 이완을 나타냅니다. 수치적으로 k는 각도 주파수(ω)가 1rad/s일 때 G'의 값에 불과합니다.

관심 있는 추가 매개변수는 위상각 δ로, 젤 구조의 불완전성 또는 '탄성 효과'가 없는 구조의 일부를 반영할 수 있습니다. 완벽한 젤은 위상각이 0인 반면 0~45º 사이의 값은 어느 정도의 점성 댐핑이 있어 이완을 촉진할 수 있음을 나타냅니다.

젤의 또 다른 특성은 3차원 네트워크 구조를 분해하고 흐름을 유도하는 데 필요한 응력인 항복 응력입니다. 항복 응력을 결정하는 다양한 방법이 있지만 가장 민감한 방법 중 하나는 진동 진폭 스윕으로, 변형 진폭의 함수로서 탄성 응력 성분인 σ'(G' 를 통해 탄성 구조와 연관됨)를 측정하는 것입니다. 그런 다음 항복 응력을 피크 응력으로, 이 응력이 발생하는 변형률, 즉 구조의 취성과 관련된 항복 변형률을 항복 변형률로 간주합니다(그림 1 참조).

1) 진폭 스윕을 사용하여 항복 응력 및 변형을 결정하는 방법을 보여주는 다이어그램

이러한 동작의 편차는 더 낮은 주파수 또는 더 높은 주파수에서 발생할 수 있으므로 파워 법칙 모델은 측정된 주파수 범위의 데이터에만 사용해야 한다는 점에 유의해야 합니다.

실험적

  • 헤어 젤, 잔탄-만난 검 복합체 및 연관 고분자 계면활성제 시스템을 포함한 세 가지 젤 시스템을 평가했습니다.
  • 회전 레오미터 측정은 펠티에 플레이트 카트리지가 장착된 키넥서스 레오미터와 콘 플레이트 측정 시스템1을 사용하고 rSpace 소프트웨어에서 사전 구성된 표준 시퀀스를 사용하여 수행되었습니다.
  • 표준 로딩 시퀀스를 사용하여 두 시료가 일관되고 제어 가능한 로딩 프로토콜을 따르도록 했습니다.
  • 모든 유변학 측정은 25°C에서 수행되었습니다.
  • 테스트에는 선형 점탄성 범위 내에서 변형률 제어 주파수 스윕을 수행하고 방정식 2에 정의된 대로 k와 n을 결정하기 위해 전력법 모델을 데이터에 맞추는 작업이 포함되었습니다.
  • 항복 응력과 변형률은 임계 변형률을 넘어서는 후속 진폭 스윕 테스트를 수행하여 동일한 순서로 결정되었습니다.

결과 및 토론

그림 2는 25°C에서 수행한 다양한 젤에 대한 ω와 모델 적합 매개변수에 대한 G' 그래프를 보여줍니다. 이 결과는 헤어 젤이 세 가지 젤 중 가장 뻣뻣한 것으로 나타났으며, 검 복합체와 연관 증점제의 경우 각각 194 Pa와 63 Pa의 값과 비교하여 301 Pa의 k 값을 보였습니다.

또한 헤어 젤과 검 복합체 모두에서 G'가 주파수에 따라 거의 변하지 않는 것을 볼 수 있는데, 이는 시간이 지남에 따라 구조적 이완이 거의 일어나지 않는다는 것을 의미합니다. 이는 두 경우 모두 0에 가까운 이완 지수 n에 반영되어 있습니다. 이와 대조적으로, 결합 폴리머는 0.2의 더 높은 n 값에 해당하는 훨씬 더 가파른 기울기를 보여줍니다.

2) 헤어 젤의 G' 대 ω (Δ) 잔탄/만난 검 복합체 (Δ) 연관 폴리머-계면활성제 시스템 및 관련 모델 적합 파라미터

그림 3은 피크 분석에서 결정된 항복 응력 및 변형률의 해당 값을 포함하여 1Hz에서 수행된 변형률 진폭 스윕의 결과를 보여줍니다.

3) 헤어 젤의 σ' 대 γ*(Δ 잔탄/만난 검 복합체 연관 고분자 계면활성제 시스템(1Hz에서 항복 응력 및 변형률 값)

헤어 젤의 항복 응력이 가장 높고, 그다음으로 잇몸 복합체와 연관 증점제가 그 뒤를 잇는 것으로 보입니다. 따라서 헤어 젤은 흐름을 시작하기 위해 더 많은 응력 입력이 필요합니다.

항복 변형률의 경우 검 복합체에서 가장 높은 값이 측정되어 연성 구조가 더 높은 것으로 나타났습니다. 연관 폴리머는 가장 낮은 값을 보여 상대적으로 더 부서지기 쉬운 구조를 나타냅니다.

결론

진동 테스트를 사용하여 세 가지 젤을 평가했습니다. 시간에 따른 겔 특성은 주파수 스윕을 통해 평가되었으며, 이완 강도 k와 이완 지수 n은 G'의 전력법 모델 적합성으로부터 추정되었습니다. 또한 후속 진폭 스윕을 통해 항복 응력과 변형률을 평가했습니다. 이 결과는 이러한 접근 방식을 사용하여 다양한 젤 시스템의 특성을 정량화하고 비교하는 방법을 보여줍니다.

테스트는 원뿔 및 플레이트 또는 평행 플레이트 지오메트리로 수행하는 것이 좋으며, 입자 크기가 large 인 분산액 및 에멀젼의 경우 후자가 선호된다는 점에 유의하세요. 이러한 재료 유형은 지오메트리 표면의 미끄러짐과 관련된 아티팩트를 방지하기 위해 톱니 모양 또는 거친 지오메트리를 사용해야 할 수도 있습니다.

Literature

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