Wprowadzenie
Żel można uznać za stałą trójwymiarową sieć, która obejmuje objętość cieczy medium. Taka struktura sieci może wynikać z oddziaływań fizycznych lub chemicznych, powodując powstawanie żeli fizycznych i chemicznych, odpowiednio o różnym stopniu sztywności. Żele chemiczne obejmują materiały takie jak wulkanizowane gumy i utwardzane żywice epoksydowe, w których wiązania krzyżowe mają charakter kowalencyjny. Żele fizyczne powstają w wyniku asocjacji międzycząsteczkowych w wyniku wiązań wodorowych, sił Van der Waalsa lub oddziaływań elektrostatycznych. Takie żele obejmują między innymi żele cząsteczkowe, dyspersje gliny i polimery asocjacyjne.
Dla w pełni utwardzonego elastycznego ciała stałego, moduł żelu, G, można oszacować na podstawie następującego wyrażenia:
gdzie v jest liczbą "elastycznie efektywnych" pasm sieci na jednostkę objętości, k jest stałą Boltzmanna, a T jest temperaturą. Podczas gdy fizyczne żele niekoniecznie są zgodne z tą zależnością, wartość G jest nie mniej związana z charakterystyką sieci sprężystej i interakcjami, które mogą zależeć od stężenia polimeru/cząsteczki, ładunku elektrycznego lub składu.
W związku z tym G (lub Moduł sprężystościModuł zespolony (składnik sprężysty), moduł magazynowania lub G', jest "rzeczywistą" częścią ogólnego modułu zespolonego próbki. Ten składnik sprężysty wskazuje na stałą lub fazową reakcję mierzonej próbki. moduł sprężystości, G', w dynamicznych testach oscylacyjnych) jest ważnym parametrem charakteryzującym żele. W przypadku idealnego żelu G' powinien być niezależny od częstotliwości, ponieważ nie może wystąpić relaksacja strukturalna; jednak wiele żeli wykazuje pewną zależność od częstotliwości wskazującą na relaksację strukturalną w różnych skalach czasowych. Ten proces relaksacji jest również ważny przy charakteryzowaniu żeli.
Jednym ze sposobów uchwycenia obu charakterystyk jest test przemiatania częstotliwości, który rejestruje zmianę G' w funkcji częstotliwości kątowej, w. W punkcie żelu, G' generalnie wykazuje zależność prawa mocy od częstotliwości, którą można scharakteryzować za pomocą następującego modelu.
gdzie k jest znane jako siła relaksacji, a n jako wykładnik relaksacji.
Dla idealnego żelu n ma wartość 0, co wskazuje, że nie występuje relaksacja strukturalna (w każdym razie w mierzonym zakresie częstotliwości). Wartość większa niż 0 sugeruje pewien stopień relaksacji strukturalnej, określony ilościowo przez wielkość n. Numerycznie k jest po prostu wartością G' przy częstotliwości kątowej (ω) równej 1 rad/s.
Dodatkowym interesującym parametrem jest kąt fazowy δ, który może odzwierciedlać niedoskonałości w strukturze żelu lub części struktury, które nie są "efektywne elastycznie". Idealny żel będzie miał kąt fazowy równy zero, podczas gdy każda wartość między 0 a 45º sugeruje pewien stopień lepkiego tłumienia, które może ułatwić relaksację.
Inną cechą charakterystyczną żeli jest Naprężenie plastyczneGranica plastyczności jest definiowana jako naprężenie, poniżej którego nie występuje przepływ; dosłownie zachowuje się jak słabe ciało stałe w spoczynku i ciecz po ugięciu.granica plastyczności, która jest naprężeniem wymaganym do rozbicia trójwymiarowej struktury sieci i wywołania przepływu. Istnieją różne metody określania granicy plastyczności, jednak jedną z najbardziej czułych metod jest przemiatanie amplitudy oscylacyjnej, które polega na pomiarze składowej naprężenia sprężystego σ' (związanej ze strukturą sprężystą poprzez G') w funkcji amplitudy odkształcenia. Naprężenie plastyczneGranica plastyczności jest definiowana jako naprężenie, poniżej którego nie występuje przepływ; dosłownie zachowuje się jak słabe ciało stałe w spoczynku i ciecz po ugięciu.Naprężenie plastyczne jest następnie przyjmowane jako naprężenie szczytowe, a odkształcenie, przy którym występuje, odkształcenie plastyczne, które jest związane z kruchością struktury (patrz rysunek 1).
Należy zauważyć, że Model prawa mocyModel prawa potęgowego jest powszechnym modelem reologicznym służącym do ilościowego określenia (zazwyczaj) charakteru rozrzedzania ścinaniem próbki, przy czym wartość bliższa zeru wskazuje na materiał bardziej rozrzedzany ścinaniem.model prawa potęgowego powinien być używany tylko do dopasowania danych w mierzonym zakresie częstotliwości, ponieważ odchylenia od takiego zachowania mogą wystąpić przy niższych lub wyższych częstotliwościach.
Eksperymentalny
- Oceniono trzy układy żelowe, w tym żel do włosów, kompleks gumy ksantanowej i mannanu oraz asocjacyjny układ polimer-surfaktant.
- Pomiary reometrem rotacyjnym wykonano przy użyciu reometru Kinexus z wkładem z płytką Peltiera i przy użyciu systemu pomiarowego stożek-płytka1 oraz przy użyciu standardowych wstępnie skonfigurowanych sekwencji w oprogramowaniu rSpace.
- Zastosowano standardową sekwencję ładowania, aby zapewnić, że obie próbki podlegały spójnemu i kontrolowanemu protokołowi ładowania.
- Wszystkie pomiary reologiczne przeprowadzono w temperaturze 25°C.
- Testy polegały na wykonaniu kontrolowanego odkształcenia przemiatania częstotliwości w liniowym zakresie lepkosprężystości i dopasowaniu modelu prawa potęgowego do danych w celu określenia k i n, jak zdefiniowano w równaniu 2.
- Granicę plastyczności i odkształcenie określono w tej samej kolejności, wykonując kolejny test przemiatania amplitudy poza odkształceniem krytycznym.
Wyniki i dyskusja
Rysunek 2 przedstawia wykres G' względem ω dla różnych żeli w temperaturze 25°C oraz parametry dopasowania modelu. Wyniki te pokazują, że żel do włosów jest najsztywniejszym z trzech żeli o wartości k wynoszącej 301 Pa w porównaniu z wartościami 194 Pa i 63 Pa odpowiednio dla kompleksu gumy i zagęszczacza asocjacyjnego.
Można również zauważyć, że zarówno w przypadku żelu do włosów, jak i kompleksu gumy, G' zmienia się bardzo nieznacznie wraz z częstotliwością, co sugeruje, że z czasem następuje niewielka relaksacja strukturalna. Znajduje to odzwierciedlenie w wykładniku relaksacji n, który w obu przypadkach jest bliski zeru. Natomiast polimer asocjacyjny wykazuje znacznie bardziej stromy gradient odpowiadający wyższej wartości n wynoszącej 0,2.
Rysunek 3 przedstawia wyniki przemiatania amplitudy odkształcenia przeprowadzonego przy częstotliwości 1 Hz, w tym odpowiednie wartości granicy plastyczności i odkształcenia, określone na podstawie analizy szczytowej.
Żel do włosów wydaje się mieć najwyższą granicę plastyczności, a następnie kompleks gumy i zagęszczacz asocjacyjny. Żel do włosów będzie zatem wymagał większego naprężenia, aby zainicjować przepływ.
Jeśli chodzi o granicę plastyczności, najwyższą wartość zmierzono dla kompleksu gumy, co wskazuje na bardziej plastyczną strukturę. Polimer asocjacyjny ma najniższą wartość, co sugeruje stosunkowo bardziej kruchą strukturę.
Wnioski
Trzy żele zostały ocenione przy użyciu testów oscylacyjnych. Zależne od czasu właściwości żelu oceniono na podstawie przemiatania częstotliwości, a siłę relaksacji k i wykładnik relaksacji n oszacowano na podstawie dopasowania modelu prawa potęgowego G'. Dodatkowo, Naprężenie plastyczneGranica plastyczności jest definiowana jako naprężenie, poniżej którego nie występuje przepływ; dosłownie zachowuje się jak słabe ciało stałe w spoczynku i ciecz po ugięciu.granica plastyczności i odkształcenie zostały oszacowane na podstawie kolejnych zmian amplitudy. Wyniki pokazują, w jaki sposób takie podejście może być wykorzystane do ilościowego określenia i porównania właściwości różnych systemów żelowych.
Należy pamiętać, że zaleca się przeprowadzanie testów przy użyciu geometrii stożkowej i płytowej lub równoległej - przy czym ta ostatnia jest preferowana w przypadku dyspersji i emulsji o rozmiarach cząstek large. Takie rodzaje materiałów mogą również wymagać zastosowania ząbkowanej lub chropowatej geometrii, aby uniknąć artefaktów związanych z poślizgiem na powierzchni geometrii.