לימוד התגובה הטיה מתנדנדות משרעת גדולה של חומרים רכים

מרוכז תמיסות פולימרים משמשים במגוון רחב של יישומים תעשייתיים בעיקר להגברת צמיגות, לרבות מזונות¹ ו אחרים מוצרים לצרכן², שחזור שמן משופרת³ואדמה תיקונים⁴. במהלך עיבוד ושימוש שלהם, הם בהכרח נידונים דפורמציות גדולות על טווח של צירי זמן. תחת תהליכים כאלה, הם מדגימים עשיר לא לינארית rheological והתנהגויות מורכבות התלויים זרימה או דפורמציה תנאים¹. להבנת התנהגויות מורכבות rheological לא לינארית חיוני בהצלחה שליטה תהליכים, תכנון מוצרים מעולים של למקסם יעילות אנרגיה. מלבד החשיבות תעשייתי, יש מידה רבה של עניין אקדמי בהבנת ההתנהגויות rheological של חומרים פולימריים רחוק שיווי משקל.

הטיה מתנדנדות בדיקות הן מרכיב בסיסי של כל אפיון rheological יסודית בשל היישום אורתוגונלית של זן ו זן שיעור⁵, היכולת לשלוט באופן עצמאי את האורך ואת הזמן מאזני הנייר על-ידי כיוונון משרעת ותדירות. תגובת המתח זנים הטיה מתנדנדות משרעת קטן, אשר הם קטנים מספיק כדי שלא להפריע את המבנה הפנימי של חומר, יכול להיות לרכיבים בשלב עם המתח, בשלב עם קצב זן. המקדמים של הרכיבים בשלב עם המתח וקצב זן באופן קולקטיבי מתייחסים כמו מודולים דינמיים^6,7, ובנפרד כמו המודולוס אחסון, , ואת אובדן המודולוס, . מודולים דינמיים להוביל נקה פרשנויות אלסטיות וחוזק צמיגה. עם זאת, פרשנויות בהתבסס על מודולים דינמיים אלה תקפים רק עבור amplitudes זן קטן, שבו מתח התגובות sinusoidal excitations גם הם sinusoidal. המשטר בדרך כלל מתייחסים כאל משרעת קטן מתנדנדות גזירה (SAOS) או המשטר viscoelastic ליניארית. להרכב שנכפה עליו הופך גדול יותר, השינויים הם המושרה ב מיקרו חומרים, אשר משתקפים בסיבוכיות של תגובות הלחץ חולף שאינו sinusoidal⁸. במשטר זה rheologically לא-ליניאריות, אשר באופן הדוק יותר מחקה בתנאי שימוש תעשייתי של עיבוד של הצרכן, לשמש מודולים דינמיים המסכן תיאורים של התגובה. דרך אחרת להבין כמה חומרים רכים מרוכז מתנהגים מתוך שיווי משקל ולכן נדרש.

מספר האחרונות מחקרים^{9,10,11,12,13,14,15,16} הראו כי חומרים יעברו דרך שינויים מבניים, דינמיות מגוונות אינטרה-מחזור שהפיק דפורמציות גדולות משרעת בינוני מתנדנדות הטיה (MAOS)^15,17 ו הטיה מתנדנדות משרעת גדולה משטרים (לאוס). השינויים המבניים, דינמיות אינטרה-מחזור יש ביטויים שונים, כגון שבירה של מיקרו, חיזקו מבניים, rearrangements מקומיים, הרפורמציה ושינויים diffusivity. אלה שינויים פיזיים אינטרה-מחזור המשטר לא לינארית להוביל התגובות מתח לא לינארית מורכבים לא יכול להתפרש בפשטות עם מודולים דינמיים. כחלופה, מספר גישות שהוצעו על הפרשנות של התגובות מתח לא-ליניאריות. דוגמאות נפוצות של זה הן פורייה המרה rheology (rheology מטרים)¹⁸, טור חזקות הרחבות¹¹, תיאור צ’בישב¹⁹, ואודות הרצף של תהליכים פיזיקליים (SPP)^{5,8, 13,14,20} ניתוח. למרות כל הטכניקות הללו הוכחו להיות עמיד מבחינה מתמטית, זה עדיין שאלה ללא מענה לגבי אם באחת מהשיטות הבאות יכול לספק הסברים פיזי ברור והגיוני של תגובות הלחץ מתנדנדות לא-ליניאריות. זה נשאר אתגר מצטיינים להעניק פרשנויות תמציתי של נתונים rheological תשבחות אמצעים מבניים דינמיות.

במחקר שנערך לאחרונה, תגובת המתח לא לינארית של מודל Rheology מזוגגות רכות (SGR)⁸ וכוס רך העשוי colloidal פולימרים כוכב⁷תחת הטיה מתנדנדות נותחו באמצעות ערכת SPP. טמפורלית שינויים במאפייני אלסטיות וחוזק צמיגה הטמונה תגובות הלחץ לא לינארית היו לכמת בנפרד על-ידי מודולים SPP, , . יתר על כן, המעבר rheological המיוצג על-ידי מודולים ארעי היה בקורלציה במדויק לשינויים microstructural מיוצגים על ידי חלוקת אלמנטים mesoscopic. במחקר של מודל SGR⁸, זה בבירור הראו שכי פרשנות rheological באמצעות ערכת SPP משקף באופן מדויק השינויים הגופניים תחת בכל התנאים הטיה מתנדנדות המשטרים ליניאריים ולא -ליניאריים משקפי שמש רכה. יכולת ייחודית זו לספק מדויק הפירוש הפיזיקלי של תגובות לא לינארית של משקפיים רך הופך השיטה SPP גישה אטרקטיבי עבור החוקרים ללמוד out-של-שיווי משקל הדינמיקה של תמיסות פולימר וחומרים רכים אחרים.

ערכת SPP בנוי סביב הצגת התנהגויות rheological כפי שקורה במרחב תלת-ממדי () כולל המתח (), זן קצב (), מתח ()⁵. במובן המתמטי, תגובות הלחץ כאל פונקציות multivariable של זן ו זן קצב (). כמו ההתנהגות rheological נחשב מסלול ב (או פונקציה multivariable), כלי דנים את המאפיינים של מסלול נדרש. בגישה SPP, מודולים ארעית , ככזה. הנפח ארעית , מודולוס צמיגה מוגדרים נגזרות חלקיות של הלחץ ביחס המתח () וקצב זן (). בעקבות ההגדרה הפיזי של מודולים אלסטיות וחוזק צמיגה דיפרנציאלית, מודולים ארעי לכמת השפעתה מיידית של זן וקצב המתח על תגובת המתח בהתאמה, ואילו שיטות ניתוח אחרות אין אפשרות לספק את כל מידע על תכונות אלסטיות וחוזק צמיגה בנפרד.

הגישה SPP מעשיר את הפרשנות של הבדיקות הטיה מתנדנדות. עם הניתוח של SPP, התנהגויות מורכבות rheological לא לינארית של תמיסות פולימרים מרוכז בלאוס אפשר קשורה ישירות ההתנהגויות rheological ליניארית ב- SAOS. אנחנו מראים בעבודה זו איך מרבית הנפח ארעי (_{מקסימום}) ליד המתח extrema מקביל המודולוס אחסון המשטר ליניארי (SAOS). יתר על כן, אנו מציגים כיצד המודולוס צמיגה ארעי () במהלך לאוס מחזור רשמים עקומת זרימה מצב יציב. בנוסף מתן פרטים של רצף מורכב של תהליכים מרוכז תמיסות פולימר לעבור תחת לאוס, ערכת SPP מספק גם את המידע לגבי המתח ההשבה בחומר. מידע זה, שאינו בר השגה דרך גישות אחרות, הוא מדד שימושי של כמה חומר יירתע ברגע מתח יוסר. התנהגות כזו יש השפעה על שמשטחו הפתרונות מרוכז עבור יישומי הדפסה תלת-ממדית, וכן הדפסה המסך, סיבים היווצרות הפסקת זרימת. מספר מחקרים שנערכו לאחרונה,^5,8,13 עולה בבירור כי המתח ההשבה היא לא בהכרח זהה המתח שהוטלו במהלך הניסויים לאוס. למשל, מחקר של משקפיים colloidal רך לפי לאוס¹³ מצאו כי המתח ההשבה הוא רק 5% כאשר משמעותית גדול יותר הכולל זן (420%) הוא הטיל. מחקרים אחרים^{16,21,22,23,24} באמצעות מודולוס²¹ את הכלוב גם להסיק אלסטיות ליניארי יכול להיות שנצפו תחת לאוס בנקודת סגור בן ציון לזר זן, רומז כי החומרים חוו דפורמציה קטן יחסית על הרגעים האלה. ערכת SPP הוא המסגרת היחידה ללאוס הבנה החשבונות עבור משמרת באיזון עומס שמוביל הבדל בין ההשבה של זנים הכולל.

מאמר זה נועד להקל על ההבנות ואת קלות השימוש של שיטת הניתוח SPP על-ידי מתן פרוטוקול מפורט freeware ניתוח לאוס, באמצעות שתי תמיסות פולימר מרוכז, עם 4 wt % xanthan מסטיק (XG) תמיסה מימית של 5% wt פאו בפתרון דימתיל סולפוקסיד. מערכות אלו נבחרו בגלל שלהם במגוון רחב של יישומים ומעניין rheologically מאפיינים. Xanthan מסטיק, הצפוני רב גבוהה משקל מולקולרי-סוכר טבעי, הוא מייצב ביעילותן מערכות מימית והחלת נפוץ בתור תוסף לספק viscosification הרצוי מזון או בשמן קידוח להגדיל צמיגות, תשואות נקודות קידוח כושים. פאו יש מאפיין ייחודי הידרופילית ומשמש לעיתים קרובות מוצרים פרמצבטיים, מערכות לשחרור מבוקר, כמו גם פעילויות משיקום קרקע. מערכות פולימרים אלה נבחנים בתנאים הטיה מתנדנדות שונים שנועדו משוער עיבוד, תחבורה והתנאים ביתי. למרות אלה תנאים מעשיים ייתכן כרוך בהכרח היפוך זרימה כמו הטיה מתנדנדות, השדה זרימה ניתן בקלות לקרב את ערכיהן מכוון עם שליטה עצמאית של משרעת יישומית, שהוטלו תדירות במבחן מתנדנדות. יתר על כן, ערכת SPP יכול לשמש כפי שמתואר כאן להבין מגוון רחב של סוגי זרימה, לרבות אלה שאינן כוללות זרימת ביטולי כגון הציעה לאחרונה אוד-לאוס²⁵, שבו מוחלות תנודות משרעת גדולה אחת רק בכיוון (המוביל הכינוי “לאוס חד-כיוונית”). לשם הפשטות, ולשם המחשה, אנחנו מגבילים המחקר הנוכחי לאוס המסורתית, הכוללים היפוך זרימה תקופתיים. התגובות rheological נמדד מנותחים עם הגישה SPP. נדגים כיצד להשתמש בתוכנה SPP עם הסברים בסיסיים על חישוב הבולטות צעדים כדי לשפר את ההבנה והשימוש הקוראים. מקרא לפרש את התוצאות של ניתוח SPP הוא הציג, על-פי אשר סוג מעבר rheological מזוהה. תוצאות ניתוח SPP נציג פולימרים שני בתנאים הטיה מתנדנדות שונים מוצגים, שבו נוכל לזהות בבירור רצף של תהליכים פיזיקליים, המכיל מידע על התגובה viscoelastic ליניארית של החומר כמו גם המאפיינים מצב יציב זרימה של החומר.

פרוטוקול זה מספק פרטים הבולטות של כיצד לבצע במדויק לא לינארית ניסויים rheological, כמו גם צעד אחר צעד מדריך כדי ניתוח והבנה rheological תגובות עם SPP framework, כפי שמוצג באיור1. נתחיל על-ידי מתן מבוא לכלי המהיר וההתקנה ולידציות, ואחריו פקודות ספציפיות עבור ביצוע של rheometer זמין מסחרית לאסוף נתונים ארעית באיכות גבוהה. ברגע שהנתונים rheological הושגו, אנחנו מציגים freeware ניתוח SPP, עם מדריך מפורט. יתר על כן, נדון כיצד להבין את התגובה תלוי-זמן של שני פתרונות פולימרים מרוכז בתוך ערכת SPP, על ידי השוואת התוצאות המתקבלות מלאוס לטאטא את תדירות ליניארי-המשטר, עקומת זרימה מצב יציב. תוצאות אלו לזהות בבירור כי הפתרונות פולימר מעבר בין מצבי rheological נפרדות בתוך תנודה, המאפשרות תמונה מפורטת יותר של שלהם rheology ארעית לא לינארית להסתמן. נתונים אלה ניתן להשתמש כדי למטב את תנאי עיבוד מוצר למערך, תחבורה, ולהשתמש. אלה תלוית זמן תגובות נוספות לספק מסלולים פוטנציאליים לטופס בבירור יחסי מבנה-רכוש-עיבוד על ידי צימוד rheology עם microstructural מידע שהתקבל זווית קטנה פיזור של נייטרונים, צילומי רנטגן או (אור SANS SAXS, SALS, בהתאמה), מיקרוסקופיה, או סימולציות מפורט.