Bestuderen van grote Amplitude oscillerende Shear reactie van zachte materialen

Geconcentreerde polymere oplossingen worden gebruikt in allerlei industriële toepassingen vooral toe viscositeit, met inbegrip van in levensmiddelen¹ en andere consumenten producten², verbeterde olie herstel³en bodem sanering⁴. Tijdens hun verwerking en gebruik, zijn zij noodzakelijkerwijs onderworpen aan grote vervormingen over een bereik van tijdschalen. Zij aantonen onder dergelijke processen, rijke en complexe niet-lineaire Rheologische gedragingen die afhankelijk van de stroming of vervorming voorwaarden¹. Inzicht in deze complexe niet-lineaire Rheologische gedrag is essentieel voor het succesvol beheren van processen, ontwerpen van superieure producten, en maximaliseren van de energieefficiëntie. Afgezien van het industriële belang is er een grote hoeveelheid academisch belang bij het begrijpen van de reologische gedrag van polymere materialen verre van evenwicht.

Oscillerende schuintrekken tests zijn een nietje component van elke grondige Rheologische karakterisering van vanwege de orthogonale toepassing van stam en de stam percentage⁵, en de mogelijkheid om onafhankelijk controle de lengte en tijd schalen peilden door tuning de amplitude en frequentie. De stressrespons te kleine amplitude oscillerende schuintrekken stammen, die klein genoeg is niet te verstoren, de interne structuur van een materiaal, kan worden ontleed in onderdelen in fase met de stam en in fase met stam tarief. De coëfficiënten van de componenten in fase met de stam en de stam percentage worden gezamenlijk aangeduid als de dynamische moduli^6,7, en individueel als de opslag modulus, , en verlies modulus, . De dynamische moduli leiden tot het wissen van elastisch en viskeuze interpretaties. Interpretaties gebaseerd op deze dynamische modules zijn echter alleen geldig voor kleine stam amplitudes, waar de stress reacties op sinusvormige excitaties ook sinusvormige zijn. Dit regime is over het algemeen aangeduid als de kleine amplitude oscillerende schuintrekken (SAOS), of het lineair visco-regime. Als de opgelegde vervorming groter wordt, worden veranderingen veroorzaakt in de materiële microstructuur, die worden weerspiegeld in de complexiteit van de niet-sinusvormige voorbijgaande stress reacties⁸. In dit rheologically niet-lineaire regime, die nauwer industriële verwerking en consument gebruiksvoorwaarden bootst, fungeren de dynamische moduli als slechte beschrijvingen van het antwoord. Een andere manier om te begrijpen hoe geconcentreerd zachte materialen gedragen uit evenwicht is dus nodig.

Een aantal recente studies^{9,10,11,12,13,14,15,16} hebben aangetoond dat materialen passeren Divers intra-cyclus structurele en dynamische veranderingen ontlokte door grotere vervormingen in de middelgrote amplitude oscillerende schuintrekken (MAOS)^15,17 en grote amplitude oscillerende schuintrekken (LAOS) regimes. De intra-cyclus structurele en dynamische veranderingen hebben verschillende manifestaties, zoals breuk van de microstructuur, structurele anisotropie, lokale herschikkingen, Reformatie en wijzigingen in richtgetal. Deze intra-cyclus van fysieke veranderingen in het regime van niet-lineaire leiden tot de complexe niet-lineaire stress reacties die gewoon niet kunnen worden geïnterpreteerd met de dynamische moduli. Als alternatief, zijn verschillende benaderingen voorgesteld voor de interpretatie van de reacties van de niet-lineaire stress. Gangbare voorbeelden hiervan zijn Fourier transform reologie (FT reologie)¹⁸, machtreeks uitbreidingen¹¹, de Tsjebysjev beschrijving¹⁹en de volgorde van de fysische processen (SPP)^{5,8, 13,14,20} analyse. Hoewel al deze technieken wiskundig robuust gebleken zijn, is het nog steeds een onbeantwoorde vraag of om het even welk van deze technieken duidelijke en redelijke fysieke stemverklaringen niet-lineair oscillerende stress reacties bieden kan. Het blijft een belangrijke uitdaging is te verstrekken beknopte interpretaties van Rheologische gegevens die aan structurele en dynamische maatregelen correleren.

In een recente studie, werd de niet-lineaire stressrespons van de Soft Glassy reologie (SGR) model⁸ en een zachte glas gemaakt van colloïdale ster polymeren⁷onder oscillerende schuintrekken geanalyseerd via de SPP-regeling. Tijdelijke wijzigingen in de eigenschappen elastische en viskeuze inherent niet-lineaire stress reacties werden afzonderlijk gekwantificeerd door de SPP-modules, en . Bovendien was de Rheologische overgang vertegenwoordigd door de voorbijgaande moduli nauwkeurig gecorreleerd aan microstructurele veranderingen vertegenwoordigd door de verdeling van de mesoscopische elementen. In de studie van de SGR model⁸, werd duidelijk aangetoond dat Rheologische interpretatie via de SPP regeling komt nauwkeurig overeen met de fysieke veranderingen onder alle omstandigheden van de oscillerende schuintrekken in de lineaire en niet-lineaire regimes voor zachte bril. Deze unieke mogelijkheid om nauwkeurige fysieke interpretatie van niet-lineaire reacties van zachte glazen maakt de SPP-methode een aantrekkelijke aanpak voor onderzoekers bestuderen de dynamiek van de uit-van-evenwicht van Polymeeroplossingen en andere zachte materialen.

De SPP-regeling is gebouwd rond Rheologische gedrag als die zich voordoen in een driedimensionale ruimte weergeven () die bestaat uit de stam (), stam tarief (), en stress ()⁵. In een wiskundige zin, de stress reacties worden behandeld als multivariabele functies van de stam en de stam percentage (). Zoals de Rheologische gedrag wordt beschouwd als een traject in (of een multivariabele functie), een hulpmiddel voor het bespreken van de eigenschappen van een traject is vereist. In de SPP-aanpak, het voorbijgaande moduli en die een rol spelen. De voorbijgaande elasticiteitsmodulus en viskeuze modulus worden gedefinieerd als de partiële afgeleiden van de stress met betrekking tot de spanning () en de stam percentage (). Na de fysische definitie van differentiële elastisch en viskeuze moduli kwantificeren de voorbijgaande moduli de momentane invloed van spanning en spanning tarief op de stressrespons respectievelijk, terwijl andere analysemethoden geen om het even welk informatie over elastisch en viskeuze eigenschappen afzonderlijk.

De aanpak van de SPP verrijkt het interpreteren van de oscillerende schuintrekken. Met de analyse van de SPP, kunnen de complexe niet-lineaire Rheologische gedrag van geconcentreerde polymere oplossingen in LAOS rechtstreeks worden gerelateerd aan de lineaire Rheologische gedrag in SAOS. Wij in dit werk weergeven hoe de maximale voorbijgaande elasticiteitsmodulus (_max) in de buurt van de stam extrema correspondeert met de modulus van de opslag in het lineaire stelsel (SAOS). Bovendien laten we zien hoe de voorbijgaande viskeuze modulus () tijdens een LAOS cyclus traceert de steady-state stroom curve. In aanvulling op verstrekken van details van de complexe reeks van processen die geconcentreerd Polymeeroplossingen doorlopen onder LAOS, bovendien de SPP-regeling informatie over de herstelbare stam in het materiaal. Deze informatie, die niet kunnen worden verkregen door middel van andere benaderingen, is een nuttige maatregel van hoeveel een materiaal zal terugslag zodra stress is verwijderd. Dergelijk gedrag heeft invloed op de bedrukbaarheid van geconcentreerde oplossingen voor 3D druktoepassingen, en zeefdruk, productieproces, alsmede stopzetting van de stroom. Een aantal recente studies,^5,8,13 duidelijk aangeven dat de herstelbare stam is niet noodzakelijk hetzelfde als de stam opgelegd tijdens LAOS experimenten. Bijvoorbeeld, een studie van zachte colloïdale glazen onder LAOS¹³ gevonden dat de herstelbare spanning is slechts 5% wanneer de aanzienlijk grotere totaal stam (420%) wordt opgelegd. Andere studies^{16,21,22,23,24} met behulp van de kooi modulus²¹ ook concluderen dat lineaire elasticiteit kan worden waargenomen onder LAOS op het punt sluiten aan de stam maxima, hetgeen impliceert dat de materialen relatief kleine vervorming op die instants ervaren. De SPP-regeling is het enige kader voor begrip LAOS dat accounts voor een verschuiving in het evenwicht van de stam die tot een verschil tussen de vergoeding in aanmerking komen en de totale stammen leidt.

Dit artikel is gericht op het vergemakkelijken van afspraken en gebruiksgemak van de SPP-analysemethode door middel van een gedetailleerd protocol voor een LAOS analyse freeware, met behulp van twee geconcentreerde Polymeeroplossingen, een 4 wt % xanthaangom (XG) waterige oplossing en een 5% van de wt PEO in DMSO oplossing. Deze systemen zijn gekozen vanwege hun brede waaier van toepassing en rheologically interessante eigenschappen. Xanthaangom, een natuurlijke hoog-moleculair-gewicht polysaccharide, is een buitengewoon effectieve stabilisator voor waterige systemen en vaak toegepast als levensmiddelenadditief te verstrekken van de gewenste viscosification of in de olie boren ter vergroting van de viscositeit en de opbrengst van de punten van boren modders. PEO heeft een unieke eigenschap van hydrofiele en wordt vaak gebruikt in farmaceutische producten en gecontroleerde afgifte systemen, alsmede bodem sanering activiteiten. Deze polymeer systemen zijn getest onder verschillende omstandigheden oscillerende schuintrekken die bedoeld zijn voor de onderlinge aanpassing van de verwerking, vervoer en bij het eindgebruik voorwaarden. Hoewel deze praktijkomstandigheden kunnen niet noodzakelijk stroom omkering zoals oscillerende schuintrekken, het veld van de stroom gemakkelijk kan worden benaderd en afgestemd met de onafhankelijke controle van de toegepaste amplitude en frequentie in een oscillerende test opgelegd. Bovendien, de SPP-regeling kan worden gebruikt zoals hier beschreven te begrijpen van een breed scala aan stroom typen, inclusief de records die exclusief stroom terugboekingen zoals de onlangs voorgestelde UD-LAOS^{25 zijn}, waarin grote amplitude oscillaties worden toegepast in een richting alleen (wat leidt tot de bijnaam “uni-directionele LAOS”). Voor eenvoud, en voor illustratieve doeleinden beperken we de huidige studie naar traditionele LAOS, die periodieke stroom omkering omvat. De gemeten Rheologische reacties worden geanalyseerd met de SPP-aanpak. We laten zien hoe de SPP-software gebruiken met eenvoudige uitleg over de meest opvallende Berekeningsstappen lezers begrip en gebruik te verbeteren. Een legenda voor het interpreteren van de resultaten van de analyse van de SPP wordt geïntroduceerd, volgens die welk type Rheologische overgang wordt geïdentificeerd. Vertegenwoordiger SPP-resultaten van de analyse van de twee polymeren vallende onder verschillende oscillerende schuintrekken omstandigheden worden weergegeven, waarin wij duidelijk identificeren een opeenvolging van fysische processen dat informatie over het materiaal lineair visco antwoord bevat, evenals de steady-state-flow-eigenschappen van het materiaal.

Dit protocol biedt saillante details voor het nauwkeurig uitvoeren van niet-lineaire Rheologische experimenten, evenals een stapsgewijze gids voor het analyseren en begrijpen Rheologische reacties met het kader van het SPP, zoals afgebeeld in Figuur 1. We beginnen door het verstrekken van een inleiding tot de installatie van het instrument en kalibraties, gevolgd door specifieke opdrachten voor het maken van een verkrijgbare rheometer kwalitatief hoogwaardige voorbijgaande gegevens verzamelen. Zodra de Rheologische gegevens hebben verkregen, introduceren we de SPP analyse freeware, met een gedetailleerde handleiding. Verder bespreken we hoe het begrijpen van de tijd-afhankelijke respons van de twee geconcentreerde Polymeeroplossingen binnen het stelsel van de SPP, door vergelijking van de resultaten verkregen uit LAOS met de lineaire-regime frequentie sweep en de stroom van de steady-state-curve. Deze resultaten duidelijk aangeven dat de Polymeeroplossingen overgang tussen verschillende Rheologische Staten in het kader van een trilling, waarmee voor een meer gedetailleerd beeld van hun niet-lineaire voorbijgaande reologie ontstaan. Deze gegevens kunnen worden gebruikt voor het optimaliseren van procescondities voor productvorming, vervoer en gebruik. Deze tijd-afhankelijke reacties verder bieden potentiële emissieroutes naar duidelijk vorm structuur-eigenschap-verwerking relaties door koppeling van de reologie microstructurele informatie verkregen uit kleine-hoek verstrooiing van neutronen, x-stralen of lichte ( SANS, SAXS en SALS, respectievelijk), microscopie, of gedetailleerde simulaties.