Introducere
Un gel poate fi considerat o rețea solidă tridimensională care acoperă volumul unui lichid medium. Această structură de rețea poate rezulta din interacțiuni fizice sau chimice, ducând la formarea de geluri fizice și chimice, respectiv cu diferite grade de rigiditate. Gelurile chimice includ materiale precum cauciucurile vulcanizate și rășinile epoxidice întărite în care legăturile încrucișate sunt de natură covalentă. Gelurile fizice se formează prin asocieri intermoleculare ca urmare a legăturilor de hidrogen, a forțelor Van der Waals sau a interacțiunilor electrostatice. Astfel de geluri includ geluri de particule, dispersii de argilă și polimeri asociativi, pentru a numi doar câteva.
Pentru un solid elastic complet întărit, modulul gelului, G, poate fi estimat din următoarea expresie:
unde v este numărul de fire de rețea "eficiente din punct de vedere elastic" pe unitate de volum, k este constanta Boltzmann și T este temperatura. Deși gelurile fizice nu se conformează neapărat acestei relații, valoarea lui G nu este mai puțin legată de caracteristicile și interacțiunile rețelei elastice, care pot depinde de concentrația polimerului/particulelor, de sarcina electrică sau de compoziție.
În consecință, G (sau Modul de elasticitateModulul complex (componenta elastică), modulul de stocare sau G', este partea "reală" a modulului complex general al probei. Această componentă elastică indică răspunsul asemănător solidului, sau în fază, al probei măsurate. modulul elastic, G', în testele oscilatorii dinamice) este un parametru important pentru caracterizarea gelurilor. Pentru un gel ideal, G' ar trebui să fie independent de frecvență, deoarece nu poate avea loc o RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare structurală; cu toate acestea, multe geluri prezintă o anumită dependență de frecvență care indică o RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare structurală pe diferite scări de timp. Acest proces de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare este, de asemenea, important în caracterizarea gelurilor.
O modalitate de a surprinde ambele caracteristici este un test de baleiaj de frecvență care surprinde modificarea lui G' în funcție de frecvența unghiulară w. La punctul de gel, G' prezintă, în general, o dependență de putere în funcție de frecvență, care poate fi caracterizată utilizând următorul model.
unde k este cunoscut ca puterea de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare, iar n este exponentul de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare.
Pentru un gel ideal, n are o valoare de 0, ceea ce indică faptul că nu are loc nicio RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare structurală (cel puțin în intervalul de frecvență măsurat). O valoare mai mare decât 0 sugerează un anumit grad de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare structurală, cuantificat prin magnitudinea lui n. Numeric, k este doar valoarea lui G' la o frecvență unghiulară (ω) de 1 rad/s.
Un parametru suplimentar de interes este unghiul de fază δ, care poate reflecta imperfecțiuni ale structurii gelului sau părți ale structurii care nu sunt "eficiente elastic". Un gel perfect va avea un unghi de fază de zero, în timp ce orice valoare între 0 și 45º sugerează un anumit grad de amortizare vâscoasă care poate facilita relaxarea.
O altă caracteristică a gelurilor este tensiunea de curgere, care este tensiunea necesară pentru ruperea structurii rețelei tridimensionale și inducerea curgerii. Există diverse metode de determinare a tensiunii de curgere, însă una dintre cele mai sensibile metode este o baleiere oscilatorie a amplitudinii, care presupune măsurarea componentei elastice a tensiunii, σ' (asociată structurii elastice prin G') în funcție de amplitudinea deformării. Tensiunea de curgere este apoi considerată ca fiind tensiunea maximă, iar deformația la care aceasta apare, deformația de curgere, care este legată de fragilitatea structurii (a se vedea figura 1).
Trebuie remarcat faptul că Modelul legii puteriiModelul legii puterii este un model reologic comun pentru a cuantifica (de obicei) natura subțiririi prin forfecare a unei probe, valoarea mai apropiată de zero indicând un material care se subțiază mai mult prin forfecare.modelul legii puterii ar trebui utilizat numai pentru ajustarea datelor în gama de frecvențe măsurate, deoarece pot apărea abateri de la acest comportament la frecvențe mai mici sau mai mari.
Experimental
- Au fost evaluate trei sisteme de gel, inclusiv un gel de păr, un complex de gumă Xanthan-Mannan și un sistem asociat polimer-surfactant.
- Măsurătorile cu reometru rotațional au fost efectuate utilizând un reometru Kinexus cu un cartuș cu placă Peltier și un sistem de măsurare cu placă conică1 și utilizând secvențe standard preconfigurate în software-ul rSpace.
- A fost utilizată o secvență de încărcare standard pentru a se asigura că ambele probe au fost supuse unui protocol de încărcare consecvent și controlabil.
- Toate măsurătorile reologice au fost efectuate la 25°C.
- Testele au implicat efectuarea unei baleiaje de frecvență controlată prin deformare în intervalul vâscoelastic liniar și ajustarea unui model cu lege de putere la date pentru a determina k și n, astfel cum sunt definite în ecuația 2.
- Tensiunea de curgere și deformația au fost determinate în aceeași secvență prin efectuarea unui test ulterior de baleiaj al amplitudinii dincolo de deformația critică.
Rezultate și discuții
Figura 2 prezintă graficul G' în funcție de ω pentru diferitele geluri realizate la 25°C și parametrii de ajustare a modelului. Aceste rezultate arată că gelul de păr este cel mai rigid dintre cele trei geluri, cu o valoare k de 301 Pa, în comparație cu valorile de 194 Pa și, respectiv, 63 Pa pentru complexul de gumă și îngroșantul asociativ.
Se poate observa, de asemenea, atât pentru gelul de păr, cât și pentru complexul de gumă, că G' variază foarte puțin în funcție de frecvență, ceea ce sugerează că relaxarea structurală este redusă în timp. Acest lucru se reflectă în exponentul de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare n care este aproape de zero în ambele cazuri. În schimb, polimerul asociativ prezintă un gradient mult mai abrupt, corespunzător unei valori n mai mari de 0,2.
Figura 3 prezintă rezultatele scanării amplitudinii de deformare efectuată la 1 Hz, inclusiv valorile corespunzătoare ale tensiunii de curgere și ale deformării, determinate în urma unei analize de vârf.
Gelul de păr pare să aibă cea mai mare Tensiunea de cedareTensiunea de cedare este definită ca fiind tensiunea sub care nu se produce nicio curgere; literalmente, se comportă ca un solid slab în repaus și ca un lichid atunci când este cedat.tensiune de curgere, urmat de complexul de gumă și de îngroșantul asociativ. Prin urmare, gelul de păr va necesita o solicitare mai mare pentru a iniția curgerea.
În ceea ce privește tensiunea de curgere, cea mai mare valoare a fost măsurată pentru complexul de gumă, indicând astfel o structură mai ductilă. Polimerul asociativ are cea mai mică valoare, sugerând o structură comparativ mai fragilă.
Concluzie
Trei geluri au fost evaluate utilizând teste oscilatorii. Proprietățile gelului în funcție de timp au fost evaluate pe baza unei scanări a frecvenței, iar puterea de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare k și exponentul de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare n au fost estimate pe baza unei ajustări a modelului cu lege de putere G'. În plus, tensiunea de curgere și deformarea au fost evaluate dintr-o scanare ulterioară a amplitudinii. Rezultatele demonstrează modul în care o astfel de abordare poate fi utilizată pentru a cuantifica și compara proprietățile diferitelor sisteme de gel.
Vă rugăm să rețineți că se recomandă ca testarea să fie efectuată cu o geometrie de tip con și placă sau placă paralelă - aceasta din urmă fiind preferată pentru dispersii și emulsii cu dimensiuni ale particulelor large. Aceste tipuri de materiale pot necesita, de asemenea, utilizarea unor geometrii zimțate sau rugoase pentru a evita artefactele legate de alunecarea la suprafața geometriei.