Introducere
Măsurătorile de oscilație, care pot fi efectuate cu reometrul rotațional Kinexus, sunt utilizate pentru a caracteriza proprietățile vâscoelastice ale materialelor, de exemplu, solidele moi precum gelurile sau pastele, sau fluidele complexe precum polimerii, emulsiile sau suspensiile. În aceste experimente, se aplică o deformare sinusoidală de forfecare (controlată prin deformare) sau o tensiune de forfecare (controlată prin tensiune), iar răspunsul materialului este analizat ulterior.
Principalii parametri obținuți sunt:
- Modulul de forfecare de stocare (G'), care oferă informații despre comportamentul "solid" al unui material.
- Modulul de forfecare de pierdere (G"), legat de comportamentul "lichid-like" al unui material.
- Unghiul de fază (δ): Acest parametru indică decalajul dintre tensiunea și deformația aplicată, facilitând astfel determinarea comportamentului materialului ca fiind cel al unui solid (δ ≈ 0°) sau cel al unui lichid (δ ≈ 90°).
Scanare de amplitudine: Determinarea regiunii LVER (LinearViscoelastică Lineară)
Măsurătorile oscilatorii sunt în general efectuate în Regiunea vâscoelastică liniară (LVER)În LVER, tensiunile aplicate sunt insuficiente pentru a provoca ruperea structurală (cedare) a structurii și, prin urmare, se măsoară proprietăți micro-structurale importante.regiunea vâscoelastică liniară (LVER), în care structura materialului nu este afectată de deformarea aplicată. Regiunea vâscoelastică liniară (LVER)În LVER, tensiunile aplicate sunt insuficiente pentru a provoca ruperea structurală (cedare) a structurii și, prin urmare, se măsoară proprietăți micro-structurale importante.LVER este determinată prin intermediul unei explorări a amplitudinii. Acest test determină amplitudinea maximă de deformare care poate fi utilizată fără a conduce la o rupere a structurii materialului pentru o frecvență și o temperatură definite.
În cadrul Regiunea vâscoelastică liniară (LVER)În LVER, tensiunile aplicate sunt insuficiente pentru a provoca ruperea structurală (cedare) a structurii și, prin urmare, se măsoară proprietăți micro-structurale importante.LVER, frecvențele de oscilație de intrare și de ieșire sunt aceleași (a se vedea figura 1).
În schimb, dincolo de Regiunea vâscoelastică liniară (LVER)În LVER, tensiunile aplicate sunt insuficiente pentru a provoca ruperea structurală (cedare) a structurii și, prin urmare, se măsoară proprietăți micro-structurale importante.LVER, excitarea cu undă de forfecare sinusoidală conduce la un răspuns nesinusoidal (figura 2). Oscilația de intrare (de exemplu, cu o frecvență de bază de 1 Hz) se descompune în oscilații de frecvențe armonice diferite; a se vedea figura 3.
Distorsiunea armonică este definită după cum urmează:
I1: Amplitudinea frecvenței de intrare
In: Amplitudinea celei de a n-a componente armonice a răspunsului oscilatoriu
Distorsiunea armonică de 0% înseamnă o liniaritate perfectă a semnalului. Acest parametru poate fi afișat în software-ul de măsurare și evaluare Kinexus, rSpace, pentru a verifica corectitudinea datelor oscilatorii.
Distorsiune armonică minimă (HD) = cel mai bun raport semnal/zgomot
Un exemplu este prezentat în figura 4: Curbele modulului de forfecare elastic (G', roșu), modulului de forfecare vâscos (G'', albastru), amplitudinii tensiunii de forfecare (σ, verde) și distorsiunii armonice (HD, negru) în timpul unei baleieri de amplitudine. Tensiunea de forfecare, γ, detectată la HD minimă corespunde deformării pentru un raport semnal/zgomot optim. Această valoare poate fi utilizată pentru următoarele măsurători oscilatorii (baleiaj de frecvență, baleiaj de temperatură etc.).
Distorsiune armonică pentru verificarea liniarității în timpul variațiilor de temperatură sau frecvență
Regiunea vâscoelastică liniară (LVER)În LVER, tensiunile aplicate sunt insuficiente pentru a provoca ruperea structurală (cedare) a structurii și, prin urmare, se măsoară proprietăți micro-structurale importante.Regiunea vâscoelastică liniară (LVER) depinde de condițiile de măsurare, cum ar fi frecvența și temperatura. În cazul unei scanări de amplitudine, acești parametri sunt menținuți constanți pentru a determina deformarea corespunzătoare în cadrul Regiunea vâscoelastică liniară (LVER)În LVER, tensiunile aplicate sunt insuficiente pentru a provoca ruperea structurală (cedare) a structurii și, prin urmare, se măsoară proprietăți micro-structurale importante.LVER. Cu toate acestea, în timpul unei scanări de frecvență, frecvența variază pe parcursul testului, iar Regiunea vâscoelastică liniară (LVER)În LVER, tensiunile aplicate sunt insuficiente pentru a provoca ruperea structurală (cedare) a structurii și, prin urmare, se măsoară proprietăți micro-structurale importante.LVER se poate modifica în consecință. Pentru a se asigura că materialul rămâne în limitele LVER pe întreaga gamă de frecvențe, semnalul de distorsiune armonică poate fi monitorizat ca indicator al comportamentului liniar.
Concluzie
Distorsiunea armonică este un semnal important pentru a verifica dacă măsurătorile de oscilații sunt efectuate în regiunea vâscoelastică liniară. Aceasta se referă la domeniul polimerilor, precum și la domeniul alimentar și farmaceutic:
- Materiale termoplastice: Determinarea LVER este esențială pentru a capta numai proprietățile intrinseci ale materialului în timpul baleierilor de frecvență sau temperatură ale polimerilor și materialelor plastice. În cazul în care măsurătorile ar fi efectuate în afara LVER, ar putea apărea modificări structurale suplimentare, cum ar fi orientarea lanțului, destrămarea sau chiar deteriorarea rețelei polimerice. Acest lucru ar duce la distorsionarea datelor de măsurare și ar face ca evaluarea studiilor de prelucrare sau îmbătrânire să nu fie fiabilă.
- Termoseturi, acoperiri și adezivi: Aceste sisteme conțin adesea rețele sensibile de polimeri sau materiale de umplutură care pot fi distruse în condiții de StresTensiunea este definită ca un nivel al forței aplicate pe o probă cu o secțiune transversală bine definită. (Tensiune = forță/zonă). Eșantioanele cu secțiune circulară sau dreptunghiulară pot fi comprimate sau întinse. Materialele elastice, cum ar fi cauciucul, pot fi întinse până la de 5 până la 10 ori lungimea lor inițială.stres excesiv. În cazul în care LVER nu este luat în considerare, materialele par fie prea moi, fie prea dure, ceea ce poate duce la decizii incorecte în ceea ce privește aplicarea și proiectarea proceselor (de exemplu, ferestre de vâscozitate incorecte pentru aplicare sau predicții inexacte ale aderenței).
- Produse alimentare (de exemplu, geluri, emulsii, grăsimi tartinabile): În acest caz, este deosebit de important să nu se distrugă microstructura fragilă (de exemplu, rețele de emulsii, geluri proteice, cristale de grăsime) prin forfecare excesivă. Măsurătorile în afara LVER ar putea, de exemplu, să rupă un gel sau să rearanjeze cristalele de grăsime, făcând textura să pară "artificial" mai moale decât este în realitate. Acest lucru ar avea consecințe directe asupra dezvoltării produselor și controlului calității, deoarece stabilitatea, consistența în gură sau capacitatea de răspândire ar fi evaluate incorect.
- Formulări farmaceutice (de exemplu, creme, paste, suspensii): Și în acest caz, integritatea structurală este esențială, în special atunci când se evaluează stabilitatea la depozitare sau eliberarea ingredientelor active. În cazul în care măsurătorile sunt efectuate în afara LVER, forfecarea ar putea modifica structura particulelor sau a suportului, ducând la o evaluare greșită a proprietăților de curgere și de aplicare. În cel mai rău caz, acest lucru ar putea avea un impact asupra eficacității sau siguranței pacienților.
Factorul de distorsiune garantează că investigațiile reologice sunt efectuate într-un interval în care structura materialului rămâne intactă. Acest lucru împiedică măsurarea în sine să distorsioneze rezultatul - o condiție prealabilă pentru date fiabile, comparabile și relevante pentru practică.