Unieke functie voor eenvoudigere reologische metingen: Harmonische vervorming

Inleiding

Oscillatiemetingen, die uitgevoerd kunnen worden met de Kinexus rotatie reometer, worden gebruikt om de visco-elastische eigenschappen van materialen te karakteriseren, bijvoorbeeld zachte vaste stoffen zoals gels of pasta's, of complexe vloeistoffen zoals polymeren, emulsies of suspensies. In deze experimenten wordt een sinusoïdale schuifvervorming (rekgestuurd) of schuifspanning (spanningsgestuurd) toegepast en de respons van het materiaal wordt vervolgens geanalyseerd.

De belangrijkste verkregen parameters zijn:

Storage shear modulus (G'), die informatie geeft over het "vast-achtige" gedrag van een materiaal.
Loss shear modulus (G"), gerelateerd aan het "vloeistofachtige" gedrag van een materiaal.
Fasehoek (δ): Deze parameter geeft het verschil aan tussen de toegepaste spanning en rek, waardoor het gedrag van het materiaal kan worden bepaald als dat van een vaste stof (δ ≈ 0°) of als dat van een vloeistof (δ ≈ 90°).

Amplitude Sweep: Bepaling van de LVER (lineaireVisco-elastisch gebied)

Oscillerende metingen worden meestal uitgevoerd binnen het lineaire visco-elastische gebied (Lineair visco-elastisch gebied (LVER)In de LVER zijn de toegepaste spanningen onvoldoende om structurele breuk (bezwijken) van de structuur te veroorzaken en daarom worden belangrijke microstructurele eigenschappen gemeten.LVER), waar de materiaalstructuur onaangetast blijft door de toegepaste vervorming. De Lineair visco-elastisch gebied (LVER)In de LVER zijn de toegepaste spanningen onvoldoende om structurele breuk (bezwijken) van de structuur te veroorzaken en daarom worden belangrijke microstructurele eigenschappen gemeten.LVER wordt bepaald door middel van een amplitude sweep. Deze test bepaalt de maximale vervormingsamplitude die kan worden gebruikt zonder dat dit leidt tot afbraak van de structuur van het materiaal voor een bepaalde frequentie en temperatuur.

Binnen de Lineair visco-elastisch gebied (LVER)In de LVER zijn de toegepaste spanningen onvoldoende om structurele breuk (bezwijken) van de structuur te veroorzaken en daarom worden belangrijke microstructurele eigenschappen gemeten.LVER zijn de in- en uitvoeroscillatiefrequenties gelijk (zie figuur 1).

Grafiek die Oscillatie van een stijf lichaam illustreert, met koppel en hoekverplaatsing in de tijd met sinusvormige golfpatronen. — 1) Ingangssignaal (hoekverplaatsing, rood) en uitgangssignaal (koppel, blauw) binnen het lineaire bereik. Beide signalen hebben dezelfde frequentie

Daarentegen leidt excitatie voorbij de Lineair visco-elastisch gebied (LVER)In de LVER zijn de toegepaste spanningen onvoldoende om structurele breuk (bezwijken) van de structuur te veroorzaken en daarom worden belangrijke microstructurele eigenschappen gemeten.LVER met een sinusvormige dwarsgolf tot een niet-sinusvormige respons (figuur 2). De ingangsoscillatie (bijvoorbeeld met een basisfrequentie van 1 Hz) valt uiteen in oscillaties van verschillende harmonische frequenties; zie figuur 3.

Grafiek die Röhstag-oscillatie met hoekverplaatsing (rood) en koppel (blauw) in de loop van de tijd laat zien, met periodieke beweging. — 2) Ingangssignaal (hoekverplaatsing, rood) en uitgangssignaal (koppel, blauw) buiten het lineaire bereik. Het responssignaal bevat oneven hogere harmonische frequenties

Ingangssignaal bij 1 Hz (links) en overeenkomstige harmonische frequenties weergegeven in niet-lineaire vorm (midden en rechts). — 3) Ingangssignaal met een frequentie van 1 Hz (links) en resulterende harmonische frequenties buiten het lineaire bereik (midden en rechts)

Harmonische vervorming wordt als volgt gedefinieerd:

Formule voor het berekenen van het percentage Harmonische Vervorming (HD), essentieel voor het analyseren en testen van audiokwaliteit.

_I1: amplitude van de ingangsfrequentie
_In: Amplitude van de n-de harmonische component van de oscillatorische respons

Een harmonische vervorming van 0% betekent een perfecte lineariteit van het signaal. Deze parameter kan worden weergegeven in de Kinexus meet- en evaluatiesoftware, rSpace, om de juistheid van de oscillerende gegevens te controleren.

Minimale harmonische vervorming (HD) = beste signaal-ruisverhouding

Een voorbeeld wordt weergegeven in figuur 4: De krommen van de elastische schuifmodulus (G', rood), de viskeuze schuifmodulus (G'', blauw), de amplitude van de schuifspanning (σ, groen) en de harmonische vervorming (HD, zwart) tijdens een amplitudetrekbeweging. De schuifspanning, γ, gedetecteerd bij minimale HD komt overeen met de vervorming voor een optimale signaal-ruisverhouding. Deze waarde kan gebruikt worden voor de volgende oscillerende metingen (frequentie sweep, temperatuur sweep, enz.).

Grafiek met afschuifamplitudeanalyse om optimale condities te bepalen in lineair visco-elastisch bereik met kritische drempels gemarkeerd. — 4) Bepaling van de amplitude voor de beste signaal-ruisverhouding in de software rSpace

Harmonische vervorming om lineariteit te controleren tijdens temperatuur- of frequentieramps

Het lineaire visco-elastische gebied (Lineair visco-elastisch gebied (LVER)In de LVER zijn de toegepaste spanningen onvoldoende om structurele breuk (bezwijken) van de structuur te veroorzaken en daarom worden belangrijke microstructurele eigenschappen gemeten.LVER) is afhankelijk van meetomstandigheden zoals frequentie en temperatuur. Bij een amplitude sweep worden deze parameters constant gehouden om de juiste rek binnen de Lineair visco-elastisch gebied (LVER)In de LVER zijn de toegepaste spanningen onvoldoende om structurele breuk (bezwijken) van de structuur te veroorzaken en daarom worden belangrijke microstructurele eigenschappen gemeten.LVER te bepalen. Bij een frequency sweep varieert de frequentie echter tijdens de test en kan de Lineair visco-elastisch gebied (LVER)In de LVER zijn de toegepaste spanningen onvoldoende om structurele breuk (bezwijken) van de structuur te veroorzaken en daarom worden belangrijke microstructurele eigenschappen gemeten.LVER dienovereenkomstig veranderen. Om er zeker van te zijn dat het materiaal over het hele frequentiebereik binnen de Lineair visco-elastisch gebied (LVER)In de LVER zijn de toegepaste spanningen onvoldoende om structurele breuk (bezwijken) van de structuur te veroorzaken en daarom worden belangrijke microstructurele eigenschappen gemeten.LVER blijft, kan het harmonische vervormingssignaal gecontroleerd worden als indicator van het lineaire gedrag.

Conclusie

Harmonische vervorming is een belangrijk signaal om te controleren of oscillatiemetingen worden uitgevoerd in het lineaire visco-elastische gebied. Het betreft zowel polymeren als voedingsmiddelen en farmaceutica:

Thermoplasten: Het bepalen van de Lineair visco-elastisch gebied (LVER)In de LVER zijn de toegepaste spanningen onvoldoende om structurele breuk (bezwijken) van de structuur te veroorzaken en daarom worden belangrijke microstructurele eigenschappen gemeten.LVER is cruciaal voor het vastleggen van alleen de intrinsieke materiaaleigenschappen tijdens frequentie- of temperatuursweeps van polymeren en kunststoffen. Als metingen buiten de Lineair visco-elastisch gebied (LVER)In de LVER zijn de toegepaste spanningen onvoldoende om structurele breuk (bezwijken) van de structuur te veroorzaken en daarom worden belangrijke microstructurele eigenschappen gemeten.LVER worden uitgevoerd, kunnen er extra structurele veranderingen optreden, zoals ketenoriëntatie, ontwarring of zelfs schade aan het polymeernetwerk. Dit zou leiden tot vervormde meetgegevens en de evaluatie van verwerkings- of verouderingsstudies onbetrouwbaar maken.
Thermoharders, coatings en lijmen: Deze systemen bevatten vaak gevoelige netwerken van polymeren of vulstoffen die bij overmatige belasting vernietigd kunnen worden. Als er geen rekening wordt gehouden met de LVER, lijken de materialen te zacht of te hard, wat kan leiden tot onjuiste beslissingen bij het ontwerp van toepassingen en processen (bijv. onjuiste viscositeitsvensters voor toepassing of onnauwkeurige voorspellingen van hechting).
Voeding (bijv. gels, emulsies, smeerbare vetten): Hier is het vooral belangrijk om de fragiele microstructuur (bijv. emulsienetwerken, eiwitgels, vetkristallen) niet te vernietigen door overmatig schuiven. Metingen buiten de LVER kunnen bijvoorbeeld een gel openbreken of vetkristallen herschikken, waardoor de textuur "kunstmatig" zachter lijkt dan hij in werkelijkheid is. Dit zou directe gevolgen hebben voor productontwikkeling en kwaliteitscontrole, omdat stabiliteit, mondgevoel of smeerbaarheid verkeerd beoordeeld zouden worden.
Farmaceutische formuleringen (bijv. crèmes, pasta's, suspensies): Ook hier is structurele integriteit van groot belang, vooral bij het beoordelen van opslagstabiliteit of het vrijkomen van actieve ingrediënten. Als metingen buiten de LVER worden uitgevoerd, kan door afschuiving de structuur van het deeltje of de drager veranderen, wat leidt tot een verkeerde inschatting van de vloei- en toepassingseigenschappen. In het ergste geval kan dit gevolgen hebben voor de werkzaamheid of patiëntveiligheid.

De vervormingsfactor zorgt ervoor dat reologisch onderzoek wordt uitgevoerd in een bereik waarbij de materiaalstructuur intact blijft. Dit voorkomt dat de meting zelf het resultaat verstoort - een voorwaarde voor betrouwbare, vergelijkbare en praktijkrelevante gegevens.