Введение
Гель можно рассматривать как твердую трехмерную сеть, охватывающую объем жидкости medium. Эта сетевая структура может возникать в результате физических или химических взаимодействий, что приводит к образованию физических и химических гелей, соответственно, с различной степенью жесткости. К химическим гелям относятся такие материалы, как вулканизированные резины и отвержденные эпоксидные смолы, в которых поперечные связи имеют ковалентную природу. Физические гели образуются за счет межмолекулярных ассоциаций в результате водородных связей, сил Ван-дер-Ваальса или электростатических взаимодействий. К таким гелям относятся гели твердых частиц, дисперсии глины и ассоциативные полимеры.
Для полностью отвержденного эластичного твердого тела модуль упругости геля, G, можно определить из следующего выражения:
где v - число "упругоэффективных" нитей сети на единицу объема, k - постоянная Больцмана, а T - температура. Хотя физические гели не обязательно соответствуют этому соотношению, значение G не в меньшей степени связано с характеристиками эластичной сети и взаимодействиями, которые могут зависеть от концентрации полимера/частиц, электрического заряда или состава.
Следовательно, G (или модуль упругости, G', в динамических осцилляторных испытаниях) является важным параметром для характеристики гелей. Для идеального геля G' не должен зависеть от частоты, поскольку структурная релаксация не может происходить; однако многие гели демонстрируют некоторую зависимость от частоты, свидетельствующую о структурной релаксации в различных временных масштабах. Этот процесс релаксации также важен при определении характеристик гелей.
Одним из способов отразить обе характеристики является тест на частотную развертку, который фиксирует изменение G' в зависимости от угловой частоты, w. В точке геля G' обычно показывает зависимость по закону мощности от частоты, которая может быть охарактеризована с помощью следующей модели.
где k - сила релаксации, а n - экспонента релаксации.
Для идеального геля n имеет значение 0, что указывает на отсутствие структурной релаксации (во всяком случае, в измеряемом диапазоне частот). Значение больше 0 предполагает некоторую степень структурной релаксации, определяемую величиной n. Численно k - это просто значение G' при угловой частоте (ω) 1 рад/с.
Дополнительным параметром, представляющим интерес, является фазовый угол δ, который может отражать несовершенства в структуре геля или части структуры, которые не являются "упругоэффективными". У идеального геля фазовый угол равен нулю, в то время как любое значение между 0 и 45º указывает на некоторую степень вязкого демпфирования, которое может способствовать релаксации.
Другой характеристикой гелей является предел текучести - напряжение, необходимое для разрушения трехмерной сетевой структуры и возникновения течения. Существуют различные методы определения предела текучести, однако одним из наиболее чувствительных методов является колебательная амплитудная развертка, которая включает измерение компонента упругого напряжения σ' (связанного с упругой структурой через G') как функции амплитуды деформации. За предел текучести принимается пиковое напряжение, а за деформацию, при которой оно возникает, - деформация текучести, которая связана с хрупкостью структуры (см. рис. 1).
Следует отметить, что модель закона мощности следует использовать только для подгонки данных в диапазоне измеряемых частот, поскольку на более низких или высоких частотах могут наблюдаться отклонения от этого поведения.
Экспериментальный
- Оценивались три гелевые системы, включая гель для волос, комплекс ксантан-маннановой камеди и ассоциативную систему полимер-поверхностно-активное вещество.
- Вращательные реометрические измерения проводились с помощью реометра Kinexus с картриджем для пластин Пельтье и конусной измерительной системой1, а также с использованием стандартных предварительно настроенных последовательностей в программном обеспечении rSpace.
- Стандартная последовательность загрузки использовалась для того, чтобы гарантировать, что оба образца подвергались согласованному и контролируемому протоколу загрузки.
- Все реологические измерения проводились при 25°C.
- Испытания включали в себя проведение частотной развертки с контролем деформации в пределах линейного вязкоупругого диапазона и подгонку данных под модель закона мощности для определения k и n, как определено в уравнении 2.
- Предел текучести и деформация определялись в той же последовательности путем проведения последующего испытания с амплитудной разверткой за пределами критической деформации.
Результаты и обсуждение
На рис. 2 показан график зависимости G' от ω для различных гелей, полученных при 25°C, и параметры, соответствующие модели. Результаты показывают, что гель для волос является самым жестким из трех гелей со значением k, равным 301 Па, по сравнению со значениями 194 Па и 63 Па для камеди и ассоциативного загустителя, соответственно.
Для геля для волос и комплекса камеди также видно, что G' очень мало изменяется с частотой, что свидетельствует о незначительной структурной релаксации, происходящей со временем. Это отражается в экспоненте релаксации n, которая в обоих случаях близка к нулю. Напротив, ассоциативный полимер демонстрирует гораздо более крутой градиент, соответствующий более высокому значению n, равному 0,2.
На рис. 3 показаны результаты развертки амплитуды деформации, выполненной на частоте 1 Гц, включая соответствующие значения предела текучести и деформации, определенные по результатам анализа пиков.
Гель для волос имеет самое высокое напряжение текучести, за ним следуют комплекс камедей и ассоциативный загуститель. Таким образом, гель для волос требует большего напряжения для начала течения.
Что касается деформации текучести, то наибольшее значение было измерено для комплекса камедей, что указывает на более пластичную структуру. Ассоциативный полимер имеет самое низкое значение, что говорит о сравнительно более хрупкой структуре.
Заключение
Три геля были оценены с помощью осцилляторного тестирования. Зависимые от времени свойства геля оценивались по частотной развертке, а сила релаксации k и экспонента релаксации n оценивались по модели G', построенной по степенному закону. Кроме того, предел текучести и деформация оценивались по последующей амплитудной развертке. Полученные результаты демонстрируют, как такой подход может быть использован для количественной оценки и сравнения свойств различных гелевых систем.
Обратите внимание, что испытания рекомендуется проводить с геометрией конуса и пластины или параллельной пластины, причем последняя предпочтительна для дисперсий и эмульсий с размером частиц large. Для таких типов материалов также может потребоваться использование зубчатых или шероховатых геометрий, чтобы избежать артефактов, связанных с проскальзыванием на поверхности геометрии.