Giriş
Bir jel, bir sıvının hacmini kaplayan katı üç boyutlu bir ağ olarak düşünülebilir medium. Bu ağ yapısı, fiziksel veya kimyasal etkileşimlerden kaynaklanabilir ve sırasıyla değişen sertlik derecelerine sahip fiziksel ve kimyasal jellerin oluşumuyla sonuçlanabilir. Kimyasal jeller, çapraz bağların doğada kovalent olduğu vulkanize kauçuklar ve kürlenmiş epoksi reçineler gibi malzemeleri içerir. Fiziksel jeller hidrojen bağı, Van der Waals kuvvetleri veya elektrostatik etkileşimlerin bir sonucu olarak moleküller arası birleşmeler yoluyla oluşur. Bu tür jeller arasında partiküllü jeller, kil dispersiyonları ve birleşik polimerler sayılabilir.
Tamamen kürlenmiş elastik bir katı için jel modülü, G, aşağıdaki ifadeden tahmin edilebilir:
burada v birim hacim başına 'elastik olarak etkili' ağ iplikçiklerinin sayısı, k Boltzmann sabiti ve T sıcaklıktır. Fiziksel jeller bu ilişkiye uymak zorunda olmamakla birlikte, G'nin değeri polimer/partikül konsantrasyonuna, elektrik yüküne veya bileşime bağlı olabilen elastik ağ özellikleri ve etkileşimleriyle daha az ilgili değildir.
Sonuç olarak G (veya dinamik salınım testlerindeElastik modülKarmaşık modül (elastik bileşen), depolama modülü veya G', numunelerin genel karmaşık modülünün "gerçek" kısmıdır. Bu elastik bileşen, ölçüm yapılan numunenin katı benzeri veya faz içi tepkisini gösterir. Elastik Modül, G') jelleri karakterize etmek için önemli bir parametredir. İdeal bir jel için, yapısal gevşeme meydana gelemeyeceğinden G' frekanstan bağımsız olmalıdır; ancak birçok jel, farklı zaman ölçeklerinde yapısal gevşemeyi gösteren bazı frekans bağımlılıkları gösterir. Bu gevşeme süreci de jelleri karakterize ederken önemlidir.
Her iki özelliği de yakalamanın bir yolu, açısal frekansın bir fonksiyonu olarak G' değişimini yakalayan bir frekans tarama testidir, w. Jel noktasında, G' genellikle aşağıdaki model kullanılarak karakterize edilebilen frekans ile bir güç yasası bağımlılığı gösterir.
burada k gevşeme gücü ve n gevşeme üsteli olarak bilinir.
İdeal bir jel için n, yapısal gevşemenin gerçekleşmediğini gösteren 0 değerine sahiptir (yine de ölçülen frekans aralığında). 0'dan büyük bir değer, n'nin büyüklüğü ile ölçülen bir dereceye kadar yapısal gevşemeye işaret eder. Sayısal olarak k, 1 rad/s'lik bir açısal frekanstaki (ω) G' değeridir.
İlgilenilen ek bir parametre, jel yapısındaki kusurları veya yapının 'elastik olarak etkili' olmayan kısımlarını yansıtabilen δ faz açısıdır. Mükemmel bir jel sıfır faz açısına sahip olurken, 0 ile 45º arasındaki herhangi bir değer gevşemeyi kolaylaştırabilecek bir dereceye kadar viskoz sönümleme olduğunu gösterir.
Jellerin bir diğer özelliği de üç boyutlu ağ yapısını parçalamak ve akışı tetiklemek için gereken gerilim olan akma gerilimidir. Akma gerilmesini belirlemek için çeşitli yöntemler vardır, ancak en hassas yöntemlerden biri, gerilme genliğinin bir fonksiyonu olarak elastik gerilme bileşeninin, σ' (G' yoluyla elastik yapı ile ilişkili) ölçülmesini içeren salınımlı genlik taramasıdır. Akma gerilmesi daha sonra tepe gerilmesi ve bunun meydana geldiği gerilme, yapının kırılganlığı ile ilgili olan Akma GerilmesiAkma gerilmesi, altında akmanın meydana gelmediği gerilme olarak tanımlanır; kelimenin tam anlamıyla hareketsizken zayıf bir katı gibi, akarken ise bir sıvı gibi davranır.akma gerilmesi olarak alınır (bkz. Şekil 1).
Güç yasası modelinin yalnızca ölçülen frekans aralığındaki verileri uydurmak için kullanılması gerektiği unutulmamalıdır, çünkü bu davranıştan sapmalar daha düşük veya daha yüksek frekanslarda meydana gelebilir.
Deneysel
- Bir saç jeli, bir Xanthan-Mannan gum kompleksi ve bir birleştirici polimer-sürfaktan sistemi dahil olmak üzere üç jel sistemi değerlendirilmiştir.
- Rotasyonel reometre ölçümleri, Peltier plaka kartuşlu bir Kinexus reometresi ve koni-plaka ölçüm sistemi1 kullanılarak ve rSpace yazılımında önceden yapılandırılmış standart diziler kullanılarak yapılmıştır.
- Her iki numunenin de tutarlı ve kontrol edilebilir bir yükleme protokolüne tabi olmasını sağlamak için standart bir yükleme dizisi kullanılmıştır.
- Tüm reoloji ölçümleri 25°C'de gerçekleştirilmiştir.
- Testler, doğrusal viskoelastik aralıkta gerinim kontrollü bir frekans taraması gerçekleştirmeyi ve denklem 2'de tanımlandığı gibi k ve n'yi belirlemek için verilere bir Güç Yasası ModeliGüç yasası modeli, bir numunenin kayma incelmesi yapısını ölçmek için (tipik olarak) yaygın bir reolojik modeldir ve sıfıra yakın değer daha fazla kayma incelmesi olan bir malzemeyi gösterir.güç yasası modeli uydurmayı içeriyordu.
- Akma gerilimi ve gerinim, kritik gerinimin ötesinde müteakip bir genlik tarama testi gerçekleştirilerek aynı sırayla belirlenmiştir.
Sonuçlar ve Tartışma
Şekil 2'de 25°C'de gerçekleştirilen farklı jeller için ω'ya karşı çizilen G' grafiği ve model uyum parametreleri gösterilmektedir. Bu sonuçlar, saç jelinin 301 Pa'lık k değeri ile üç jel arasında en sert olanı olduğunu, buna karşılık sakız kompleksi ve birleştirici koyulaştırıcı için sırasıyla 194 Pa ve 63 Pa'lık değerler olduğunu göstermektedir.
Ayrıca hem saç jeli hem de sakız kompleksi için G' değerinin frekansla çok az değiştiği görülebilir, bu da zamanla çok az yapısal gevşeme meydana geldiğini göstermektedir. Bu durum, her iki durumda da sıfıra yakın olan gevşeme üssü n'ye de yansımaktadır. Buna karşılık, birleştirici polimer 0,2'lik daha yüksek bir n değerine karşılık gelen çok daha dik bir gradyan gösterir.
Şekil 3, 1 Hz'de gerçekleştirilen gerinim genliği taramasından elde edilen sonuçları ve bir tepe analizinden belirlenen Akma GerilmesiAkma gerilmesi, altında akmanın meydana gelmediği gerilme olarak tanımlanır; kelimenin tam anlamıyla hareketsizken zayıf bir katı gibi, akarken ise bir sıvı gibi davranır.akma gerilmesi ve gerinimin karşılık gelen değerlerini göstermektedir.
Saç jeli en yüksek akma gerilimine sahip gibi görünmektedir, bunu sakız kompleksi ve birleştirici kıvamlaştırıcı takip etmektedir. Bu nedenle saç jeli akışı başlatmak için daha fazla StresStres, iyi tanımlanmış bir kesite sahip bir numune üzerine uygulanan kuvvet seviyesi olarak tanımlanır. (Stres = kuvvet/alan). Dairesel veya dikdörtgen kesitli numuneler sıkıştırılabilir veya gerilebilir. Kauçuk gibi elastik malzemeler orijinal uzunluklarının 5 ila 10 katına kadar gerilebilir.stres girdisine ihtiyaç duyacaktır.
Akma gerilmesi açısından, en yüksek değer sakız kompleksi için ölçülmüştür, bu da daha sünek bir yapıya işaret etmektedir. Birleştirici polimer en düşük değere sahiptir, bu da nispeten daha kırılgan bir yapıya işaret etmektedir.
Sonuç
Üç jel salınım testi kullanılarak değerlendirilmiştir. Zamana bağlı jel özellikleri bir frekans taramasından değerlendirilmiş ve gevşeme gücü k ve gevşeme üssü n, G''nin bir Güç Yasası ModeliGüç yasası modeli, bir numunenin kayma incelmesi yapısını ölçmek için (tipik olarak) yaygın bir reolojik modeldir ve sıfıra yakın değer daha fazla kayma incelmesi olan bir malzemeyi gösterir.güç yasası modeli uyumundan tahmin edilmiştir. Buna ek olarak, akma gerilimi ve gerinim sonraki bir genlik taramasından değerlendirilmiştir. Sonuçlar, bu tür bir yaklaşımın farklı jel sistemlerinin özelliklerini ölçmek ve karşılaştırmak için nasıl kullanılabileceğini göstermektedir.
Lütfen testlerin koni ve plaka veya paralel plaka geometrisi ile yapılmasının tavsiye edildiğini unutmayın; large partikül boyutlarına sahip dispersiyonlar ve emülsiyonlar için ikincisi tercih edilir. Bu tür malzeme türleri, geometri yüzeyinde kayma ile ilgili artefaktları önlemek için tırtıklı veya pürüzlü geometrilerin kullanılmasını da gerektirebilir.