Studium der großen Amplitudengang oszillatorische Scherung aus weichen Materialien

Konzentrierte Polymere Lösungen werden in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen verwendet, in erster Linie um Viskosität, darunter Lebensmittel¹ und andere Verbraucher Produkte², verbesserte Öl Erholung³und Boden Sanierung⁴zu erhöhen. Bei deren Verarbeitung und Nutzung unterliegen sie unbedingt große Verformungen über eine Reihe von Fristen. Unter solchen Prozessen zeigen sie reiche und komplexe nichtlineare rheologische Verhalten, die abhängig von der Strömung oder Verformung Bedingungen¹. Verständnis dieser komplexen nichtlinearen rheologischen Verhalten unbedingt erfolgreich controlling-Prozesse, Entwicklung überlegener Produkte und maximale Energieeffizienz. Abgesehen von der industriellen Bedeutung gibt es viel von akademischem Interesse die rheologischen Verhalten von Polymeren Materialien weit von Gleichgewicht zu verstehen.

Oszillierende Schertests sind fester Bestandteil jedes gründliche rheologische Charakterisierung aufgrund der orthogonalen Anwendung von Strain und Strain Rate⁵, und die Fähigkeit, die Länge und Zeit unabhängig voneinander steuern Skalen von tuning sondierten die Amplitude und Frequenz. Die Stress-Reaktion auf kleiner Amplitude oszillatorische Scherung Stämme, die klein genug, nicht um die interne Struktur des Materials zu stören, kann in Phase mit dem Stamm und in Phase mit Verformungsgeschwindigkeit in Komponenten zerlegt werden. Die Koeffizienten der Komponenten in Phase mit der Belastung und der Dehngeschwindigkeit werden gemeinsam bezeichnet als die dynamische Moduli^6,7, und individuell wie der Speicher-Modul, , und Verlust e-Modul, . Die dynamische Moduli führen, um elastische und Viskose Interpretationen zu löschen. Basierend auf diesen dynamischen Moduli Interpretationen gelten jedoch nur für kleine Belastung Amplituden, wo auch die Stressreaktionen, sinusförmige Erregungen sinusförmige sind. Dieses Regime wird im Allgemeinen als kleiner Amplitude oszillatorische Scherung (SAOS) oder dem linearen viskoelastischen Regime bezeichnet. Wenn die aufgezwungene Verformung größer wird, werden Änderungen in der materiellen Mikrostruktur induziert die spiegeln sich in der Komplexität des nicht-sinusförmige transiente Spannung Antworten⁸. In diesem rheologisch nichtlineare Regime, die industrielle Verarbeitung und Verbraucher Einsatzbedingungen genauer imitiert, fungieren die dynamische Moduli als schlechte Beschreibungen der Antwort. Eine weitere Möglichkeit zu verstehen, wie konzentrierte weiche Materialien von Verhalten Gleichgewicht ist daher erforderlich.

Eine Reihe von aktuellen Studien^{9,10,11,12,13,14,15,16} haben gezeigt, dass Materialien durchlaufen Diverse Intra-Zyklus strukturellen und dynamischen Veränderungen hervorgerufen durch größere Verformungen in die mittlere Amplitude oszillatorische Scherung (MAOS)^15,17 und großer Amplitude oszillatorische Scherung (LAOS) Regime. Die Intra-Zyklus strukturellen und dynamischen Veränderungen haben verschiedene Erscheinungsformen, wie z. B. Bruch der Mikrostruktur, strukturelle Anisotropie, lokale Umlagerungen, Reformation und Änderungen im Diffusivität. Diese Intra-Zyklus körperlichen Veränderungen in der nicht-linearen Regime führen zu komplexen nichtlinearen Stressreaktionen, die einfach nicht mit der dynamischen Moduli interpretiert werden können. Als Alternative wurden verschiedene Ansätze für die Interpretation der nichtlinearen Stressreaktionen vorgeschlagen. Gängige Beispiele hierfür sind Fourier Transform Rheologie (FT-Rheologie)¹⁸, Potenzreihen Erweiterungen¹¹, Chebyshev Beschreibung¹⁹und die Reihenfolge der physikalischen Prozesse (SPP)^{5,8, 13,14,20} Analyse. Obwohl alle diese Techniken gezeigt haben, mathematisch robust sein, ist es immer noch eine unbeantwortete Frage, ob diese Techniken klare und vernünftige physikalischen Erklärungen zur nichtlinearen oszillierende Stressreaktionen weitergeben können. Es bleibt eine hervorragende Herausforderung für prägnante Interpretationen von rheologischen Daten bereitstellen, die auf strukturelle und dynamische Maßnahmen zu korrelieren.

In einer aktuellen Studie wurde die nichtlineare Stressantwort weichen glasig Rheologie (SGR) Modell⁸ und einem weichen Glas kolloidales Sternpolymere⁷unter oszillatorische Scherung aus über das SPP-Schema analysiert. Zeitliche Veränderungen in den elastischen und viskosen Eigenschaften innewohnt, nicht-lineare Stressreaktionen wurden separat quantifiziert durch die SPP Moduli, und . Außerdem korrelierte der rheologische Übergang, vertreten durch die vorübergehende Moduli genau mikrostrukturellen Veränderungen, die durch die Verteilung der mesoskopischen Elemente dargestellt. In der Studie der SGR Modell⁸wurde deutlich, dass die rheologischen Auslegung über das SPP-Schema entspricht genau die körperlichen Veränderungen unter allen Bedingungen der oszillatorische Scherung in der linearen und nichtlinearen Systemen für weiche Gläser. Diese einzigartige Fähigkeit, genaue physikalische Interpretation der nichtlinearen Antworten von weichen Gläsern bieten macht die SPP-Methode einen attraktiveren Ansatz für Forscher heraus-von-Gleichgewicht Dynamik der Polymertechnik und anderen weichen Materialien.

Das SPP-Programm baut auf Anzeigen rheologische Verhalten wie Sie in einem dreidimensionalen Raum (), die besteht aus dem Stamm (), Verformungsgeschwindigkeit (), und Stress ()⁵. Im mathematischen Sinn, die Stressreaktionen multivariable Funktionen der Belastung und der Umformgeschwindigkeit gleichgestellt sind (). Da das rheologische Verhalten als Leitkurve in gilt (oder eine multivariable Funktion), ein Werkzeug für die Diskussion über die Eigenschaften einer Flugbahn ist erforderlich. In der SPP-Ansatz, die transiente Moduli und eine Rolle. Der vorübergehende Elastizitätsmodul und Viskose Modulus sind definiert als partielle Ableitungen von Stress in Bezug auf die Belastung () und der Dehngeschwindigkeit (). Im Anschluss an die physikalische Definition der differentielle elastische und Viskose Moduli quantifizieren die transiente Moduli den momentanen Einfluss der Strain und Strain Rate auf die Stress-Reaktion bzw., während andere Analysemethoden zur Verfügung zu stellen kann nicht Informationen über elastische und viskose Eigenschaften getrennt.

Der SPP-Ansatz bereichert die Interpretation der oszillierenden Schertests. Mit der SPP-Analyse können die komplexe nichtlinearen rheologischen Verhalten der konzentrierten Polymeren Lösungen in LAOS direkt mit der linearen rheologischen Verhalten in SAOS zusammenhängen. Wir zeigen in diesem Werk wie der maximale transiente Elastizitätsmodul (_max) in der Nähe der Belastung entspricht Extrema der Speicher-Modul in der linearen Regime (SAOS). Darüber hinaus zeigen wir wie der Transienten Viskose Modulus () während einer LAOS Zyklus Spuren der Steady-State-Fließkurven. Zusätzlich zu die Details die komplexe Abfolge von Prozessen, die Polymerlösungen konzentriert unter LAOS, durchlaufen informiert des SPP-Schemas auch hinsichtlich der erzielbaren Belastung des Materials. Diese Informationen, die nicht durch andere Ansätze erhältlich ist, ist ein nützliches Maß für wieviel Material zurückschrecken wird, sobald Belastung entfernt wird. Ein solches Verhalten wirkt sich auf die Bedruckbarkeit von konzentrierten Lösungen für 3D Anwendungen für den Druck, sowie Siebdruck, Faser-Bildung und Fluss-Einstellung. Eine Reihe neuerer Studien,^5,8,13 zeigen deutlich, dass die erzielbare Belastung nicht unbedingt identisch mit der Sorte während LAOS Experimente auferlegt. Zum Beispiel fand eine Studie weichen kolloidale Gläser nach LAOS¹³ , dass die erzielbare Belastung nur 5 % wenn deutlich größere Summe belasten (420 %) wird verhängt. Schließen Sie andere Studien^{16,21,22,23,24} mit dem Käfig Modul²¹ auch folgern, dass lineare Elastizität unter LAOS zum Zeitpunkt beobachtet werden können zu der Sorte Maxima, was bedeutet, dass die Materialien relativ kleine Verformung bei diesen Augenblicken erlebt. Das SPP-Schema ist der einzige Rahmen für Verständnis LAOS, dass Konten für eine Wende in der Stamm-Gleichgewicht, das führt zu einer Differenz zwischen dem erzielbaren und die gesamten Belastungen.

Dieser Artikel soll Verständnis und Benutzerfreundlichkeit der SPP-Analyse-Methode zu erleichtern, indem Sie ein detailliertes Protokoll für LAOS Analyse Freeware, mit zwei konzentrierten Polymerlösungen, eine 4 wt % Xanthan Gum (XG) wässrige Lösung und eine 5 Gew.-% PEO in DMSO-Lösung. Diese Systeme sind aufgrund ihrer breiten Anwendung und interessante rheologisch Eigenschaften ausgewählt. Xanthan Gum, einer natürlichen hohen Molekulargewicht Polysaccharid ist eine außergewöhnlich effektive Stabilisator für wässrige Systeme und häufig angewendet als Lebensmittelzusatzstoff zu gewünschten Viscosification oder in Öl-Bohr-zur Erhöhung der Viskosität und Ausbeute Punkte Bohren von Muds. PEO verfügt über eine einzigartige hydrophile Eigenschaft und wird häufig in pharmazeutischen Produkten sowie kontrollierte Freisetzung Systeme und Boden Sanierung Aktivitäten verwendet. Diese Polymere Systeme werden unter verschiedenen oszillatorische Scherung Bedingungen getestet, die dazu bestimmt sind, Verarbeitung, Transport und Endverwendung Bedingungen anzugleichen. Obwohl diese Praxisbedingungen nicht unbedingt Flow Umkehr wie oszillatorische Scherung verbunden sein können, das Strömungsfeld kann leicht angenähert und abgestimmt mit der unabhängigen Kontrolle der angewandten Amplitude und Frequenz in einem oszillierenden Test auferlegt. Darüber hinaus kann das SPP-Schema verwendet werden wie hier beschrieben um zu verstehen, den unterschiedlichsten Bewegungsarten, einschließlich derjenigen, die keine Strömung Auflösungen wie der vor kurzem vorgeschlagen UD-LAOS²⁵, in der große Amplitude Schwingungen in einem angewendet werden Richtung nur (was auf den Moniker “Uni-direktionale LAOS”). Der Einfachheit halber und zur Veranschaulichung beschränken wir die aktuelle Studie auf traditionelle LAOS, die periodische Flow Umkehr einschließt. Die gemessenen rheologischen Antworten werden mit dem SPP-Ansatz analysiert. Wir zeigen, wie mithilfe die SPP-Software mit einfachen Erklärungen zur wichtigsten Berechnungsschritte um Leser Verständnis und Gebrauch zu verbessern. Eine Legende für die Interpretation der Ergebnisse der SPP-Analyse wird eingeführt, nach denen die Art der rheologischen Übergang identifiziert wird. Vertreter SPP Analyseergebnisse der beiden Polymere unter verschiedenen Bedingungen oszillatorische Scherung werden angezeigt, in denen identifizieren wir eindeutig einer Reihe von physikalischen Prozessen, die Informationen über das Material linearen viskoelastischen Antwort enthält sowie das stationäre Fließverhalten des Materials.

Dieses Protokoll sieht hervorstechenden Details zur nichtlinearen rheologischen Experimente, sowie eine Schritt für Schritt genau durchzuführen führen zu analysieren und zu verstehen rheologische Antworten mit dem SPP-Rahmen, wie in Abbildung 1dargestellt. Wir beginnen mit bietet eine Einführung in die Inbetriebnahme und Kalibrierungen, gefolgt von spezifischen Befehle für die Herstellung einer handelsüblichen Rheometer qualitativ hochwertige flüchtige Daten sammeln. Sobald die rheologischen Daten erhalten haben, stellen wir die SPP Analyse Freeware, mit einer detaillierten Anleitung. Darüber hinaus besprechen wir wie die zeitabhängige Antwort der beiden konzentrierte Polymerlösungen innerhalb des SPP-Systems zu verstehen, durch den Vergleich der Ergebnisse aus LAOS mit der linearen Regime Frequenz-Sweep und stationären Fließkurven. Diese Ergebnisse erkennen deutlich, dass die Polymerlösungen zwischen verschiedene rheologische Zustände innerhalb einer Schwingung Übergang, ermöglicht ein genaueres Bild von ihrer nichtlinear transiente Rheologie entstehen. Diese Daten können verwendet werden, um die Verarbeitungsbedingungen für die Produktbildung, Transport, optimieren und nutzen. Diese zeitabhängigen Antworten weiter geben mögliche Wege zur deutlich Form Struktur-Eigenschaft-Verarbeitung Beziehungen durch die Kopplung der Rheologie mit mikrostrukturelle Informationen aus kleinen Winkel Streuung von Neutronen, Röntgenstrahlen oder Licht ( SANS, SAXS und SALS, beziehungsweise), Mikroskopie oder detaillierte Simulationen.