Inledning
En gel kan betraktas som ett fast tredimensionellt nätverk som sträcker sig över volymen av en vätska medium. Denna nätverksstruktur kan uppstå genom fysikaliska eller kemiska interaktioner, vilket resulterar i bildandet av fysikaliska respektive kemiska geler med varierande grad av styvhet. Kemiska geler omfattar material som vulkaniserat gummi och härdade epoxihartser där tvärbindningarna är kovalenta till sin natur. Fysiska geler bildas genom intermolekylära föreningar till följd av vätebindning, Van der Waals-krafter eller elektrostatiska interaktioner. Sådana geler är t.ex. partikelformiga geler, lerdispersioner och associativa polymerer, för att nämna några.
För ett fullständigt härdat elastiskt fast ämne kan gelmodulen, G, beräknas med hjälp av följande uttryck
där v är antalet "elastiskt effektiva" nätverkssträngar per volymenhet, k är Boltzmannkonstanten och T är temperaturen. Även om fysiska geler inte nödvändigtvis överensstämmer med detta förhållande, är värdet på G ändå relaterat till de elastiska nätverksegenskaperna och interaktionerna, som kan vara beroende av polymer/partikelkoncentration, elektrisk laddning eller sammansättning.
Följaktligen är G (eller den elastiska modulen, G', i dynamiska oscillerande tester) en viktig parameter för att karakterisera geler. För en idealisk gel bör G' vara oberoende av frekvensen eftersom strukturell relaxation inte kan förekomma; många geler uppvisar dock ett visst frekvensberoende som indikerar strukturell relaxation över olika tidsskalor. Denna relaxationsprocess är också viktig när man karakteriserar geler.
Ett sätt att fånga båda egenskaperna är genom ett frekvenssveptest som fångar förändringen i G' som en funktion av vinkelfrekvensen, w. Vid gelpunkten uppvisar G' i allmänhet ett potenslagsbundet frekvensberoende, som kan karakteriseras med hjälp av följande modell.
där k är känd som relaxationsstyrkan och n relaxationsexponenten.
För en idealisk gel har n värdet 0, vilket innebär att ingen strukturell relaxation sker (i alla fall inte inom det uppmätta frekvensområdet). Ett värde större än 0 tyder på en viss grad av strukturell relaxation, kvantifierad genom storleken på n. Numeriskt är k bara värdet på G' vid en vinkelfrekvens (ω) på 1 rad/s.
En ytterligare parameter av intresse är fasvinkeln δ, som kan återspegla imperfektioner i gelstrukturen eller delar av strukturen som inte är "elastiskt effektiva". En perfekt gel har en fasvinkel på noll, medan alla värden mellan 0 och 45º tyder på en viss grad av viskös dämpning som kan underlätta relaxation.
En annan egenskap hos geler är flytspänningen, som är den spänning som krävs för att bryta ner den tredimensionella nätverksstrukturen och framkalla flöde. Det finns olika metoder för att bestämma flytspänningen, men en av de känsligaste metoderna är en oscillerande amplitudsvepning, som innebär att den elastiska spänningskomponenten σ' (associerad med den elastiska strukturen genom G') mäts som en funktion av töjningsamplituden. Flytspänningen tas sedan som den högsta spänningen och den töjning vid vilken detta inträffar, flyttöjningen, som är relaterad till strukturens sprödhet (se figur 1).
Det bör noteras att potenslagsmodellen endast bör användas för att anpassa data över det uppmätta frekvensområdet eftersom avvikelser från detta beteende kan förekomma vid lägre eller högre frekvenser.
Experimentell
- Tre gelsystem, inklusive en hårgel, ett Xanthan-Mannan-gummikomplex och ett associativt polymer-tensid-system utvärderades.
- Rotationsreometermätningarna gjordes med en Kinexus-reometer med en Peltier-plattkassett och med hjälp av ett konplattmätningssystem1 och med hjälp av förkonfigurerade standardsekvenser i programvaran rSpace.
- En standardiserad laddningssekvens användes för att säkerställa att båda proverna genomgick ett konsekvent och kontrollerbart laddningsprotokoll.
- Alla reologimätningar utfördes vid 25°C.
- Testerna innebar att man utförde en töjningsstyrd frekvenssvepning inom det linjära viskoelastiska området och anpassade en potenslagsmodell till data för att bestämma k och n enligt definitionen i ekvation 2.
- Flytspänningen och töjningen bestämdes i samma sekvens genom att utföra ett efterföljande sveptest med amplitud bortom den kritiska töjningen.
Resultat och diskussion
Figur 2 visar G' plottat mot ω för de olika gelerna vid 25°C samt parametrarna för modellanpassningen. Resultaten visar att hårgelén är den styvaste av de tre geléerna med ett k-värde på 301 Pa jämfört med värden på 194 Pa och 63 Pa för tuggummikomplexet respektive det associativa förtjockningsmedlet.
För både hårgelén och tuggummikomplexet kan man också se att G' varierar mycket lite med frekvensen, vilket tyder på att det sker en liten strukturell relaxation med tiden. Detta återspeglas i relaxationsexponenten n som är nära noll i båda fallen. Däremot uppvisar den associativa polymeren en mycket brantare gradient som motsvarar ett högre n-värde på 0,2.
Figur 3 visar resultaten från svepningen av töjningsamplituden som utfördes vid 1 Hz, inklusive motsvarande värden för SträckgränsFlytspänning definieras som den spänning under vilken inget flöde uppstår; bokstavligen beter sig som ett svagt fast ämne i vila och som en vätska när det flyter.flytspänning och töjning, som bestämts genom en toppanalys.
Hårgelén verkar ha den högsta flytspänningen, följt av gummikomplexet och det associativa förtjockningsmedlet. Hårgelen kommer därför att kräva mer spänning för att initiera flöde.
När det gäller sträckgränsen uppmättes det högsta värdet för gummikomplexet, vilket tyder på en mer seg struktur. Den associativa polymeren har det lägsta värdet, vilket tyder på en jämförelsevis sprödare struktur.
Slutsats
Tre geler utvärderades med hjälp av oscillerande testning. Tidsberoende gelegenskaper utvärderades från en frekvenssvepning och relaxationsstyrkan k och relaxationsexponenten n uppskattades från en power law-modellanpassning av G'. Dessutom utvärderades SträckgränsFlytspänning definieras som den spänning under vilken inget flöde uppstår; bokstavligen beter sig som ett svagt fast ämne i vila och som en vätska när det flyter.flytspänning och töjning från ett efterföljande amplitud-svep. Resultaten visar hur ett sådant tillvägagångssätt kan användas för att kvantifiera och jämföra egenskaperna hos olika gelsystem.
Observera att provning rekommenderas med kon- och plattgeometri eller parallell plattgeometri - där den senare är att föredra för dispersioner och emulsioner med large partikelstorlekar. Sådana materialtyper kan också kräva användning av tandade eller grova geometrier för att undvika artefakter som beror på glidning på geometriytan.