Introdução
Um gel pode ser considerado como uma rede sólida tridimensional que abrange o volume de um líquido medium. Essa estrutura de rede pode resultar de interações físicas ou químicas, resultando na formação de géis físicos e químicos, respectivamente, com diferentes graus de rigidez. Os géis químicos incluem materiais como borrachas vulcanizadas e resinas epóxi curadas, em que as ligações cruzadas são de natureza covalente. Os géis físicos são formados por associações intermoleculares como resultado da ligação de hidrogênio, forças de Van der Waals ou interações eletrostáticas. Esses géis incluem géis particulados, dispersões de argila e polímeros associativos, para citar alguns.
Para um sólido elástico totalmente curado, o módulo de gel, G, pode ser estimado a partir da seguinte expressão:
em que v é o número de fios de rede "elasticamente eficazes" por unidade de volume, k é a constante de Boltzmann e T é a temperatura. Embora os géis físicos não estejam necessariamente em conformidade com essa relação, o valor de G não deixa de estar relacionado às características e interações da rede elástica, que podem depender da concentração de polímero/partícula, da carga elétrica ou da composição.
Consequentemente, G (ou o Módulo elásticoO módulo complexo (componente elástico), módulo de armazenamento ou G', é a parte "real" das amostras, o módulo complexo geral. Esse componente elástico indica a resposta do tipo sólido, ou em fase, da amostra que está sendo medida. módulo elástico, G', em testes oscilatórios dinâmicos) é um parâmetro importante para caracterizar os géis. Em um gel ideal, G' deve ser independente da frequência, pois não pode ocorrer RelaxamentoQuando uma tensão constante é aplicada a um composto de borracha, a força necessária para manter essa tensão não é constante, mas diminui com o tempo; esse comportamento é conhecido como relaxamento de tensão. O processo responsável pelo relaxamento da tensão pode ser físico ou químico e, em condições normais, ambos ocorrerão ao mesmo tempo. relaxamento estrutural; no entanto, muitos géis apresentam alguma dependência de frequência indicativa de RelaxamentoQuando uma tensão constante é aplicada a um composto de borracha, a força necessária para manter essa tensão não é constante, mas diminui com o tempo; esse comportamento é conhecido como relaxamento de tensão. O processo responsável pelo relaxamento da tensão pode ser físico ou químico e, em condições normais, ambos ocorrerão ao mesmo tempo. relaxamento estrutural em diferentes escalas de tempo. Esse processo de RelaxamentoQuando uma tensão constante é aplicada a um composto de borracha, a força necessária para manter essa tensão não é constante, mas diminui com o tempo; esse comportamento é conhecido como relaxamento de tensão. O processo responsável pelo relaxamento da tensão pode ser físico ou químico e, em condições normais, ambos ocorrerão ao mesmo tempo. relaxamento também é importante na caracterização dos géis.
Uma maneira de captar ambas as características é por meio de um teste de varredura de frequência que capta a alteração em G' como uma função da frequência angular, w. No ponto de gel, G' geralmente mostra uma dependência de lei de potência com a frequência, que pode ser caracterizada usando o seguinte modelo.
em que k é conhecido como a força de RelaxamentoQuando uma tensão constante é aplicada a um composto de borracha, a força necessária para manter essa tensão não é constante, mas diminui com o tempo; esse comportamento é conhecido como relaxamento de tensão. O processo responsável pelo relaxamento da tensão pode ser físico ou químico e, em condições normais, ambos ocorrerão ao mesmo tempo. relaxamento e n é o expoente de RelaxamentoQuando uma tensão constante é aplicada a um composto de borracha, a força necessária para manter essa tensão não é constante, mas diminui com o tempo; esse comportamento é conhecido como relaxamento de tensão. O processo responsável pelo relaxamento da tensão pode ser físico ou químico e, em condições normais, ambos ocorrerão ao mesmo tempo. relaxamento.
Para um gel ideal, n tem um valor de 0, o que indica que não ocorre RelaxamentoQuando uma tensão constante é aplicada a um composto de borracha, a força necessária para manter essa tensão não é constante, mas diminui com o tempo; esse comportamento é conhecido como relaxamento de tensão. O processo responsável pelo relaxamento da tensão pode ser físico ou químico e, em condições normais, ambos ocorrerão ao mesmo tempo. relaxamento estrutural (pelo menos na faixa de frequência medida). Um valor maior que 0 sugere algum grau de RelaxamentoQuando uma tensão constante é aplicada a um composto de borracha, a força necessária para manter essa tensão não é constante, mas diminui com o tempo; esse comportamento é conhecido como relaxamento de tensão. O processo responsável pelo relaxamento da tensão pode ser físico ou químico e, em condições normais, ambos ocorrerão ao mesmo tempo. relaxamento estrutural, quantificado pela magnitude de n. Numericamente, k é apenas o valor de G' em uma frequência angular (ω) de 1 rad/s.
Um parâmetro adicional de interesse é o ângulo de fase δ, que pode refletir imperfeições na estrutura do gel ou partes da estrutura que não são "elasticamente eficazes". Um gel perfeito terá um ângulo de fase de zero, enquanto qualquer valor entre 0 e 45º sugere algum grau de amortecimento viscoso que pode facilitar o RelaxamentoQuando uma tensão constante é aplicada a um composto de borracha, a força necessária para manter essa tensão não é constante, mas diminui com o tempo; esse comportamento é conhecido como relaxamento de tensão. O processo responsável pelo relaxamento da tensão pode ser físico ou químico e, em condições normais, ambos ocorrerão ao mesmo tempo. relaxamento.
Outra característica dos géis é a Tensão de escoamentoA tensão de escoamento é definida como a tensão abaixo da qual não ocorre fluxo; comporta-se literalmente como um sólido fraco em repouso e como um líquido quando escoado.tensão de escoamento, que é a EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão necessária para romper a estrutura tridimensional da rede e induzir o fluxo. Há vários métodos para determinar a Tensão de escoamentoA tensão de escoamento é definida como a tensão abaixo da qual não ocorre fluxo; comporta-se literalmente como um sólido fraco em repouso e como um líquido quando escoado.tensão de escoamento; no entanto, um dos métodos mais sensíveis é a varredura de amplitude oscilatória, que envolve a medição do componente de EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão elástica, σ' (associado à estrutura elástica por meio de G') como uma função da amplitude da deformação. A Tensão de escoamentoA tensão de escoamento é definida como a tensão abaixo da qual não ocorre fluxo; comporta-se literalmente como um sólido fraco em repouso e como um líquido quando escoado.tensão de escoamento é então considerada como a EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão de pico e a deformação na qual isso ocorre, a deformação de escoamento, que está relacionada à fragilidade da estrutura (consulte a Figura 1).
Deve-se observar que o Modelo de lei de potênciaO modelo de lei de potência é um modelo reológico comum para quantificar (normalmente) a natureza de diluição por cisalhamento de uma amostra, sendo que o valor mais próximo de zero indica um material com maior diluição por cisalhamento.modelo de lei de potência só deve ser usado para ajustar os dados na faixa de frequência medida, pois podem ocorrer desvios desse comportamento em frequências mais baixas ou mais altas.
Experimental
- Foram avaliados três sistemas de gel, incluindo um gel para cabelos, um complexo de goma xantana-manganês e um sistema associativo de polímero-surfactante.
- As medições do reômetro rotacional foram feitas usando um reômetro Kinexus com um cartucho de placa Peltier e usando o sistema de medição de placa cônica1, e usando sequências padrão pré-configuradas no software rSpace.
- Uma sequência de carregamento padrão foi usada para garantir que ambas as amostras fossem submetidas a um protocolo de carregamento consistente e controlável.
- Todas as medições reológicas foram realizadas a 25°C.
- Os testes envolveram a execução de uma varredura de frequência controlada por deformação dentro da faixa viscoelástica linear e o ajuste de um Modelo de lei de potênciaO modelo de lei de potência é um modelo reológico comum para quantificar (normalmente) a natureza de diluição por cisalhamento de uma amostra, sendo que o valor mais próximo de zero indica um material com maior diluição por cisalhamento.modelo de lei de potência aos dados para determinar k e n, conforme definido na equação 2.
- A Tensão de escoamentoA tensão de escoamento é definida como a tensão abaixo da qual não ocorre fluxo; comporta-se literalmente como um sólido fraco em repouso e como um líquido quando escoado.tensão de escoamento e a deformação foram determinadas na mesma sequência, realizando um teste de varredura de amplitude subsequente além da deformação crítica.
Resultados e discussão
A Figura 2 mostra o gráfico de G' em relação a ω para os diferentes géis realizados a 25°C e os parâmetros de ajuste do modelo. Esses resultados mostram que o gel para cabelo é o mais rígido dos três géis, com um valor k de 301 Pa, em comparação com os valores de 194 Pa e 63 Pa para o complexo de goma e o espessante associativo, respectivamente.
Também é possível observar, tanto para o gel de cabelo quanto para o complexo de goma, que G' varia muito pouco com a frequência, sugerindo que está ocorrendo pouco RelaxamentoQuando uma tensão constante é aplicada a um composto de borracha, a força necessária para manter essa tensão não é constante, mas diminui com o tempo; esse comportamento é conhecido como relaxamento de tensão. O processo responsável pelo relaxamento da tensão pode ser físico ou químico e, em condições normais, ambos ocorrerão ao mesmo tempo. relaxamento estrutural com o tempo. Isso se reflete no expoente de RelaxamentoQuando uma tensão constante é aplicada a um composto de borracha, a força necessária para manter essa tensão não é constante, mas diminui com o tempo; esse comportamento é conhecido como relaxamento de tensão. O processo responsável pelo relaxamento da tensão pode ser físico ou químico e, em condições normais, ambos ocorrerão ao mesmo tempo. relaxamento n, que é próximo de zero em ambos os casos. Em contraste, o polímero associativo mostra um gradiente muito mais acentuado, correspondendo a um valor n mais alto de 0,2.
A Figura 3 mostra os resultados da varredura de amplitude de deformação realizada a 1 Hz, incluindo os valores correspondentes de Tensão de escoamentoA tensão de escoamento é definida como a tensão abaixo da qual não ocorre fluxo; comporta-se literalmente como um sólido fraco em repouso e como um líquido quando escoado.tensão de escoamento e deformação, conforme determinado em uma análise de pico.
O gel capilar parece ter a maior EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão de rendimento, seguido pelo complexo de goma e pelo espessante associativo. Portanto, o gel capilar exigirá mais entrada de EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão para iniciar o fluxo.
Em termos de Tensão de escoamentoA tensão de escoamento é definida como a tensão abaixo da qual não ocorre fluxo; comporta-se literalmente como um sólido fraco em repouso e como um líquido quando escoado.tensão de escoamento, o valor mais alto foi medido para o complexo de goma, o que indica uma estrutura mais dúctil. O polímero associativo tem o valor mais baixo, sugerindo uma estrutura comparativamente mais frágil.
Conclusão
Três géis foram avaliados por meio de testes oscilatórios. As propriedades do gel dependentes do tempo foram avaliadas a partir de uma varredura de frequência, e a força de relaxamento k e o expoente de relaxamento n foram estimados a partir de um ajuste de Modelo de lei de potênciaO modelo de lei de potência é um modelo reológico comum para quantificar (normalmente) a natureza de diluição por cisalhamento de uma amostra, sendo que o valor mais próximo de zero indica um material com maior diluição por cisalhamento.modelo de lei de potência de G'. Além disso, a tensão e a deformação de rendimento foram avaliadas a partir de uma varredura de amplitude subsequente. Os resultados demonstram como essa abordagem pode ser usada para quantificar e comparar as propriedades de diferentes sistemas de gel.
Observe que é recomendável que os testes sejam realizados com geometria de cone e placa ou placa paralela, sendo a última a preferida para dispersões e emulsões com large tamanhos de partículas. Esses tipos de materiais também podem exigir o uso de geometrias serrilhadas ou rugosas para evitar artefatos relacionados ao deslizamento na superfície da geometria.