Recurso exclusivo para medições reológicas mais fáceis: Distorção harmônica

Introdução

As medições de oscilação, que podem ser realizadas com o reômetro rotacional Kinexus, são usadas para caracterizar as propriedades viscoelásticas dos materiais, por exemplo, sólidos macios, como géis ou pastas, ou fluidos complexos, como polímeros, emulsões ou suspensões. Nesses experimentos, é aplicada uma deformação de cisalhamento sinusoidal (controlada por 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) ou uma 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 cisalhamento (controlada por 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), e a resposta do material é analisada posteriormente.

Os principais parâmetros obtidos são:

Módulo de cisalhamento de armazenamento (G'), que fornece informações sobre o comportamento "sólido" de um material.
Módulo de cisalhamento de perda (G"), relacionado ao comportamento "semelhante ao líquido" de um material.
Ângulo de fase (δ): Esse parâmetro é indicativo da defasagem entre 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 e a deformação aplicadas, facilitando assim a determinação do comportamento do material como sólido (δ ≈ 0°) ou líquido (δ ≈ 90°).

Varredura de amplitude: Determinação da região viscoelástica linear (LVER)Região viscoelástica linear)

As medições oscilatórias são geralmente realizadas na Região viscoelástica linear (LVER)No LVER, as tensões aplicadas são insuficientes para causar ruptura estrutural (cedência) da estrutura e, portanto, importantes propriedades microestruturais estão sendo medidas.região viscoelástica linear (LVER), onde a estrutura do material não é afetada pela deformação aplicada. A Região viscoelástica linear (LVER)No LVER, as tensões aplicadas são insuficientes para causar ruptura estrutural (cedência) da estrutura e, portanto, importantes propriedades microestruturais estão sendo medidas.LVER é determinada por meio de uma varredura de amplitude. Esse teste determina a amplitude máxima de deformação que pode ser usada sem levar a um colapso da estrutura do material para uma frequência e temperatura definidas.

Dentro do Região viscoelástica linear (LVER)No LVER, as tensões aplicadas são insuficientes para causar ruptura estrutural (cedência) da estrutura e, portanto, importantes propriedades microestruturais estão sendo medidas.LVER, as frequências de oscilação de entrada e saída são as mesmas (veja a figura 1).

Gráfico que ilustra a oscilação de corpo rígido, mostrando o torque e o deslocamento angular ao longo do tempo com padrões de ondas senoidais. — 1) Sinal de entrada (deslocamento angular, vermelho) e sinal de saída (torque, azul) dentro da faixa linear. Ambos os sinais têm a mesma frequência

Em contrapartida, além do Região viscoelástica linear (LVER)No LVER, as tensões aplicadas são insuficientes para causar ruptura estrutural (cedência) da estrutura e, portanto, importantes propriedades microestruturais estão sendo medidas.LVER, a excitação com onda de cisalhamento senoidal leva a uma resposta não senoidal (figura 2). A oscilação de entrada (por exemplo, com uma frequência básica de 1 Hz) se decompõe em oscilações de diferentes frequências harmônicas; veja a figura 3.

Gráfico que ilustra a oscilação de Röhstag com deslocamento angular (vermelho) e torque (azul) ao longo do tempo, mostrando o movimento periódico. — 2) Sinal de entrada (deslocamento angular, vermelho) e sinal de saída (torque, azul) fora da faixa linear. O sinal de resposta contém frequências harmônicas superiores ímpares

Sinal de entrada a 1 Hz (esquerda) e frequências harmônicas correspondentes exibidas em forma não linear (meio e direita). — 3) Sinal de entrada com uma frequência de 1 Hz (esquerda) e frequências harmônicas resultantes fora da faixa linear (meio e direita)

A distorção harmônica é definida da seguinte forma:

Fórmula para calcular a porcentagem de distorção harmônica (HD), essencial para análise e teste de qualidade de áudio.

_I1: Amplitude da frequência de entrada
_In: Amplitude do n-ésimo componente harmônico da resposta oscilatória

A distorção harmônica de 0% significa linearidade perfeita do sinal. Esse parâmetro pode ser exibido no software de medição e avaliação Kinexus, rSpace, para verificar a exatidão dos dados oscilatórios.

Mínimo de distorção harmônica (HD) = Melhor relação sinal-ruído

Um exemplo é apresentado na Figura 4: As curvas do módulo de cisalhamento elástico (G', vermelho), módulo de cisalhamento viscoso (G'', azul), amplitude da 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 cisalhamento (σ, verde) e distorção harmônica (HD, preto) durante uma varredura de amplitude. A tensão de cisalhamento, γ, detectada no HD mínimo corresponde à deformação para uma relação sinal-ruído ideal. Esse valor pode ser usado para as seguintes medições oscilatórias (varredura de frequência, varredura de temperatura, etc.).

Gráfico que exibe a análise da amplitude de cisalhamento para determinar as condições ideais na faixa viscoelástica linear com limites críticos marcados. — 4) Determinação da amplitude para a melhor relação sinal-ruído no software rSpace

Distorção harmônica para verificar a linearidade durante as variações de temperatura ou frequência

A Região viscoelástica linear (LVER)No LVER, as tensões aplicadas são insuficientes para causar ruptura estrutural (cedência) da estrutura e, portanto, importantes propriedades microestruturais estão sendo medidas.região viscoelástica linear (LVER) depende das condições de medição, como frequência e temperatura. Em uma varredura de amplitude, esses parâmetros são mantidos constantes para determinar a deformação apropriada dentro da Região viscoelástica linear (LVER)No LVER, as tensões aplicadas são insuficientes para causar ruptura estrutural (cedência) da estrutura e, portanto, importantes propriedades microestruturais estão sendo medidas.LVER. No entanto, durante uma varredura de frequência, a frequência varia ao longo do teste, e a Região viscoelástica linear (LVER)No LVER, as tensões aplicadas são insuficientes para causar ruptura estrutural (cedência) da estrutura e, portanto, importantes propriedades microestruturais estão sendo medidas.LVER pode mudar de acordo. Para garantir que o material permaneça dentro do LVER em toda a faixa de frequência, o sinal de distorção harmônica pode ser monitorado como um indicador do comportamento linear.

Conclusão

A distorção harmônica é um sinal importante para verificar se as medições de oscilações são realizadas na Região viscoelástica linear (LVER)No LVER, as tensões aplicadas são insuficientes para causar ruptura estrutural (cedência) da estrutura e, portanto, importantes propriedades microestruturais estão sendo medidas. região viscoelástica linear. Ela diz respeito ao campo de polímeros, bem como ao campo de alimentos e produtos farmacêuticos:

Termoplásticos: A determinação do LVER é fundamental para capturar apenas as propriedades intrínsecas do material durante as varreduras de frequência ou temperatura de polímeros e plásticos. Se as medições fossem feitas fora do LVER, poderiam ocorrer mudanças estruturais adicionais, como orientação da cadeia, desemaranhamento ou até mesmo danos à rede do polímero. Isso levaria a dados de medição distorcidos e tornaria a avaliação dos estudos de processamento ou envelhecimento não confiável.
Termofixos, revestimentos e adesivos: Esses sistemas geralmente contêm redes sensíveis de polímeros ou cargas que podem ser destruídas sob EstresseA tensão é definida como um nível de força aplicado a uma amostra com uma seção transversal bem definida. (Tensão = força/área). As amostras com seção transversal circular ou retangular podem ser comprimidas ou esticadas. Materiais elásticos, como a borracha, podem ser esticados até 5 a 10 vezes seu comprimento original.estresse excessivo. Se a LVER não for considerada, os materiais parecerão muito macios ou muito duros, o que pode levar a decisões incorretas na aplicação e no projeto do processo (por exemplo, janelas de viscosidade incorretas para aplicação ou previsões imprecisas de adesão).
Alimentos (por exemplo, géis, emulsões, gorduras para barrar): Aqui, é particularmente importante não destruir a microestrutura frágil (por exemplo, redes de emulsão, géis de proteína, cristais de gordura) por meio de cisalhamento excessivo. As medições fora do LVER podem, por exemplo, quebrar um gel ou reorganizar os cristais de gordura, fazendo com que a textura pareça "artificialmente" mais macia do que é de fato. Isso teria consequências diretas para o desenvolvimento de produtos e o controle de qualidade, pois a estabilidade, a sensação na boca ou a capacidade de espalhar seriam avaliadas incorretamente.
Formulações farmacêuticas (por exemplo, cremes, pastas, suspensões): Aqui, também, a integridade estrutural é fundamental, especialmente ao avaliar a estabilidade de armazenamento ou a liberação de ingredientes ativos. Se as medições forem feitas fora do LVER, o cisalhamento poderá alterar as estruturas da partícula ou do veículo, levando a uma avaliação incorreta das propriedades de fluxo e aplicação. Na pior das hipóteses, isso pode ter um impacto sobre a eficácia ou a segurança do paciente.

O fator de distorção garante que as investigações reológicas sejam realizadas em uma faixa em que a estrutura do material permaneça intacta. Isso evita que a própria medição distorça o resultado - um pré-requisito para dados confiáveis, comparáveis e relevantes para a prática.