Inleiding
Een gel kan worden beschouwd als een vast driedimensionaal netwerk dat het volume van een vloeistof medium overspant. Deze netwerkstructuur kan het resultaat zijn van fysische of chemische interacties, wat resulteert in de vorming van fysische en chemische gels, respectievelijk met verschillende mate van stijfheid. Chemische gels omvatten materialen zoals gevulkaniseerde rubbers en uitgeharde epoxyharsen waarbij de crosslinks covalent van aard zijn. Fysische gels worden gevormd door intermoleculaire associaties als gevolg van waterstofbruggen, Van der Waals-krachten of elektrostatische interacties. Dergelijke gels zijn onder andere deeltjesgels, kleidispersies en associatieve polymeren.
Voor een volledig uitgeharde elastische vaste stof kan de gelmodulus, G, worden geschat met behulp van de volgende uitdrukking:
waarbij v het aantal 'elastisch effectieve' netwerkstrengen per volume-eenheid is, k de constante van Boltzmann en T de temperatuur. Hoewel fysische gels niet noodzakelijkerwijs aan deze relatie voldoen, is de waarde van G toch gerelateerd aan de elastische netwerkeigenschappen en interacties, die afhankelijk kunnen zijn van de polymeer/deeltjesconcentratie, elektrische lading of samenstelling.
Daarom is G (of de Elastische modulusDe complexe modulus (elastische component), opslagmodulus of G', is het "echte" deel van de totale complexe modulus van het monster. Deze elastische component geeft de respons van het te meten monster op een vaste stof of in fase aan. elastische modulus, G', bij dynamische oscillerende testen) een belangrijke parameter voor het karakteriseren van gels. Voor een ideale gel zou G' onafhankelijk moeten zijn van de frequentie omdat structurele relaxatie niet kan optreden; veel gels vertonen echter een zekere frequentieafhankelijkheid die duidt op structurele relaxatie over verschillende tijdschalen. Dit relaxatieproces is ook belangrijk bij het karakteriseren van gels.
Een manier om beide karakteristieken vast te leggen is met een frequency sweep test die de verandering in G' vastlegt als functie van de hoekfrequentie, w. Op het gelpunt vertoont G' over het algemeen een power law afhankelijkheid met de frequentie, die gekarakteriseerd kan worden met het volgende model.
waarbij k de relaxatiesterkte is en n de relaxatie-exponent.
Voor een ideale gel heeft n een waarde van 0, wat aangeeft dat er geen structurele relaxatie optreedt (in het gemeten frequentiebereik in ieder geval). Een waarde groter dan 0 suggereert een zekere mate van structurele relaxatie, gekwantificeerd door de grootte van n. Numeriek is k gewoon de waarde van G' bij een hoekfrequentie (ω) van 1 rad/s.
Een extra parameter die van belang is, is de fasehoek δ, die onvolkomenheden in de gelstructuur kan weerspiegelen, of delen van de structuur die niet 'elastisch effectief' zijn. Een perfecte gel zal een fasehoek van nul hebben, terwijl elke waarde tussen 0 en 45º een zekere mate van viskeuze demping suggereert die OntspanningWanneer een constante spanning wordt uitgeoefend op een rubbermengsel, is de kracht die nodig is om die spanning te handhaven niet constant maar neemt deze af met de tijd; dit gedrag staat bekend als spanningsrelaxatie. Het proces dat verantwoordelijk is voor spanningsrelaxatie kan fysisch of chemisch zijn en onder normale omstandigheden zullen beide tegelijkertijd optreden. ontspanning kan vergemakkelijken.
Een andere eigenschap van gels is de OpbrengstspanningDe vloeispanning wordt gedefinieerd als de spanning waaronder geen vloei optreedt; letterlijk gedraagt het zich als een zwakke vaste stof in rust en als een vloeistof wanneer het vloeit.vloeispanning, dit is de spanning die nodig is om de driedimensionale netwerkstructuur te breken en stroming te veroorzaken. Er zijn verschillende methoden om de OpbrengstspanningDe vloeispanning wordt gedefinieerd als de spanning waaronder geen vloei optreedt; letterlijk gedraagt het zich als een zwakke vaste stof in rust en als een vloeistof wanneer het vloeit.vloeispanning te bepalen, maar een van de gevoeligste methoden is een oscillerende amplitude sweep, waarbij de elastische spanningscomponent σ' (geassocieerd met de elastische structuur door G') wordt gemeten als functie van de rekamplitude. De OpbrengstspanningDe vloeispanning wordt gedefinieerd als de spanning waaronder geen vloei optreedt; letterlijk gedraagt het zich als een zwakke vaste stof in rust en als een vloeistof wanneer het vloeit.vloeispanning wordt dan genomen als de piekspanning en de rek waarbij deze optreedt, de OpbrengstspanningDe vloeispanning wordt gedefinieerd als de spanning waaronder geen vloei optreedt; letterlijk gedraagt het zich als een zwakke vaste stof in rust en als een vloeistof wanneer het vloeit.vloeispanning, die gerelateerd is aan de brosheid van de structuur (zie Figuur 1).
Er moet worden opgemerkt dat het spanningsrechtmodel alleen moet worden gebruikt om gegevens over het gemeten frequentiebereik te passen, omdat afwijkingen van dit gedrag kunnen optreden bij lagere of hogere frequenties.
Experimenteel
- Drie gelsystemen, waaronder een haargel, een Xanthaan-Mannaan gomcomplex en een associatief polymeer-surfactantsysteem werden geëvalueerd.
- Rotatie reometermetingen werden uitgevoerd met een Kinexus reometer met een Peltier plaatcartridge en een cone-plate meetsysteem1, en met gebruik van standaard voorgeconfigureerde sequenties in de rSpace software.
- Er werd een standaard beladingsvolgorde gebruikt om ervoor te zorgen dat beide monsters onderworpen werden aan een consistent en controleerbaar beladingsprotocol.
- Alle reologiemetingen werden uitgevoerd bij 25°C.
- De tests omvatten het uitvoeren van een rekgestuurde frequentiebeweging binnen het lineaire visco-elastische bereik en het passen van een power law model op de gegevens om k en n te bepalen zoals gedefinieerd in vergelijking 2.
- De OpbrengstspanningDe vloeispanning wordt gedefinieerd als de spanning waaronder geen vloei optreedt; letterlijk gedraagt het zich als een zwakke vaste stof in rust en als een vloeistof wanneer het vloeit.vloeispanning en rek werden in dezelfde volgorde bepaald door een volgende amplitude sweep test uit te voeren voorbij de kritische rek.
Resultaten en discussie
Figuur 2 toont G' uitgezet tegen ω voor de verschillende gels bij 25°C en de model fit parameters. Uit deze resultaten blijkt dat de haargel de stijfste van de drie gels is met een k-waarde van 301 Pa vergeleken met waarden van 194 Pa en 63 Pa voor respectievelijk het gomcomplex en het associatieve verdikkingsmiddel.
Voor zowel de haargel als het gomcomplex is ook te zien dat G' heel weinig varieert met de frequentie, wat suggereert dat er weinig structurele relaxatie optreedt met de tijd. Dit wordt weerspiegeld in de relaxatie-exponent n die in beide gevallen dicht bij nul ligt. Daarentegen vertoont het associatieve polymeer een veel steilere gradiënt die overeenkomt met een hogere n-waarde van 0,2.
Figuur 3 toont de resultaten van de rek amplitude sweep uitgevoerd bij 1 Hz, inclusief de overeenkomstige waarden van OpbrengstspanningDe vloeispanning wordt gedefinieerd als de spanning waaronder geen vloei optreedt; letterlijk gedraagt het zich als een zwakke vaste stof in rust en als een vloeistof wanneer het vloeit.vloeispanning en rek, zoals bepaald uit een piekanalyse.
De haargel blijkt de hoogste OpbrengstspanningDe vloeispanning wordt gedefinieerd als de spanning waaronder geen vloei optreedt; letterlijk gedraagt het zich als een zwakke vaste stof in rust en als een vloeistof wanneer het vloeit.vloeispanning te hebben, gevolgd door het gomcomplex en het associatieve verdikkingsmiddel. De haargel heeft daarom meer spanning nodig om te gaan vloeien.
In termen van OpbrengstspanningDe vloeispanning wordt gedefinieerd als de spanning waaronder geen vloei optreedt; letterlijk gedraagt het zich als een zwakke vaste stof in rust en als een vloeistof wanneer het vloeit.vloeispanning werd de hoogste waarde gemeten voor het gomcomplex, wat duidt op een taaiere structuur. Het associatieve polymeer heeft de laagste waarde, wat duidt op een relatief brosse structuur.
Conclusie
Drie gels werden geëvalueerd met behulp van oscillerende testen. Tijdsafhankelijke gel eigenschappen werden geëvalueerd door middel van een frequentie sweep en de relaxatie sterkte k en relaxatie exponent n werden geschat door middel van een power law model fit van G'. Daarnaast werden de vloeispanning en rek geëvalueerd op basis van een daaropvolgende amplitudetrek. De resultaten laten zien hoe een dergelijke benadering kan worden gebruikt om de eigenschappen van verschillende gelsystemen te kwantificeren en te vergelijken.
Er wordt aanbevolen om testen uit te voeren met kegel- en plaatgeometrie of parallelle plaatgeometrie - waarbij de laatste de voorkeur heeft voor dispersies en emulsies met large deeltjesgrootte. Voor dergelijke materiaalsoorten kan het ook nodig zijn om gekartelde of geruwde geometrieën te gebruiken om artefacten met betrekking tot slip aan het geometrieoppervlak te voorkomen.