Изучая большой амплитуды колебательной сдвиг ответ из мягких материалов

Концентрированные растворы полимерные используются в различных промышленных применений главным образом для увеличения вязкости, в том числе продукты¹ и других потребительских товаров², повышения нефтеотдачи восстановления³и рекультивации почвы⁴. Во время их обработки и использования они обязательно подвергаются больших деформаций в диапазоне временных масштабах. В рамках таких процессов они демонстрируют богатых и сложных нелинейных реологических поведения, которые зависят от потока или деформации условия¹. Понимание этих сложных нелинейных реологических поведения имеет важное значение для успешно управление процессами, проектирование высококачественную продукцию и максимального повышения эффективности использования энергии. Помимо промышленного значения есть большой академический интерес в понимании реологических поведения полимерных материалов далеко от равновесия.

Колебательных сдвига тесты являются основной компонент каждый тщательно реологических характеристик из-за ортогональных применение напряжения и деформации ставка⁵, и возможность самостоятельно контролировать продолжительность и время весы исследуемого, тюнинг амплитуда и частота. Стрессовой реакции с небольшой амплитудой колебательной сдвига штаммов, которые являются достаточно небольшим, чтобы не нарушить внутреннюю структуру материала, можно разложить на компоненты в фазе с напряжением и в фазе с скорости деформации. Коэффициенты компонентов в фазе с напряжения и скорости деформации обозначаются как динамические модули^6,7и индивидуально, как модуль хранения, и потеря модуль, . Динамические модули приводят к очистить упругих и вязкой толкований. Однако толкований, основанные на этих динамических модулей действительны только для небольших штамм амплитуд, где стресс ответы на синусоидальные возбуждений также синусоидальные. Этот режим обычно именуется как небольшой амплитудой колебательной сдвига (SAOS), или линейные вязкоупругих режима. Как навязанные деформации становится больше, изменения наведенные в микроструктура материала, которые отражены в сложности несинусоидальных переходных напряжений ответы⁸. В этом rheologically нелинейных режима, который более тесно имитирует промышленной обработки и потребителей условия использования, динамические модули выступать в качестве бедных описания ответа. Еще один способ, чтобы понять, как концентрированный мягкие материалы ведут себя из равновесия, поэтому не потребуется.

Ряд последних исследований^{9,10,11,12,13,14,15,16} показали, что материалы проходят через разнообразные интра цикла структурные и динамические изменения вызвали на больших деформаций в средней амплитуды колебательной сдвига (MAOS)^15,17 и большой амплитуды колебательной сдвига режимов (Лаос). Внутри цикла структурные и динамические изменения имеют различные проявления, например поломка микроструктуры, структурные анизотропии, местные перестановок, Реформации, и изменения в температуропроводности. Эти физические изменения внутри цикла в нелинейных режима приведет к сложной нелинейной стресс ответов, которые нельзя просто интерпретировать с динамических модулей. В качестве альтернативы было предложено несколько подходов для интерпретации ответов нелинейных стресс. Распространенными примерами этого являются Фурье преобразование реологии (FT реология)¹⁸, серии power разложения¹¹, Чебышева Описание¹⁹и последовательность физических процессов (SPP)^5,8, анализ^{20 14, 13,}. Хотя все эти методы было показано, чтобы быть надежным, математически, это по-прежнему без ответа вопрос о том, ли любой из этих методов может обеспечить четкий и разумный физические объяснения нелинейной колебательной стресс ответов. Он остается выдающимся задача дать краткое толкование реологических данных, которые соответствуют мерам структурной и динамичная.

В недавнем исследовании был проанализирован нелинейных стрессовой реакции мягкой стекловидный реологии (SGR) модель⁸ и мягкой стекла из⁷коллоидных звезды полимеров под колебательной сдвига через схему SPP. Временные изменения в упругих и вязкие свойства, присущие нелинейных стресс ответы были отдельно количественно, SPP модули, и . Кроме того реологические перехода, представленного Переходные модули точно коррелировалось микроструктурных изменений представлено распределение мезоскопических элементов. В исследовании SGR модель⁸было ясно показано что реологические интерпретации через схему SPP точно отражает физические изменения при всех условиях колебательной сдвига в линейных и нелинейных режимов для мягких очки. Это уникальная возможность предоставить точную физическую интерпретацию нелинейных реакции мягкой очки делает метод SPP привлекательным подход для исследователей, изучение динамики растворов полимеров из равновесия и других мягких материалов.

SPP схема строится вокруг просмотра реологических поведения как происходящее в трехмерном пространстве (), состоит из штамма (), скорости деформации () и стресс ()⁵. В математическом смысле, стресс ответы рассматриваются как функций многих переменных, напряжения и скорости деформации (). Как реологических поведение рассматривается в качестве траектории в (или функцию Многовариантное), инструмент для обсуждения свойства траектории не требуется. В подходе SPP, переходные модули и играть такую роль. Переходных упругости и вязкой модуль определяются как частных производных стресса в отношении деформации () и скорости деформации (). После физической определения дифференциального упругих и вязкой модули Переходные модули количественно мгновенной влияние нагрузки и скорости деформации на стресс ответ соответственно, в то время как другие методы анализа не может предоставить какие-либо Информация о упругой и вязкие свойства отдельно.

SPP подход обогащает Интерпретация колебательных сдвига тестов. С анализом SPP сложных нелинейных реологических поведение концентрированных полимерных растворов в Лаосе могут быть непосредственно связаны с линейной реологических поведения в SAOS. Мы покажем в этой работе как максимальный временной упругости (_Макс) вблизи штамм экстремумы соответствует модуль хранения в линейный режим (SAOS). Кроме того, мы покажем как модуль переходных вязкой () во время Лаос цикл прослеживает кривая потока устойчивого состояния. В дополнение к обеспечивая детали сложной последовательности процессов, которые сконцентрированы растворов полимеров пройти под Лаос, схема SPP также предоставляет информацию о восстанавливаемых напряжение в материале. Эта информация, которая не получается через другие подходы, является полезной мерой сколько материал будет отдачи после снятия стресса. Такое поведение имеет влияние на печатными свойствами концентрированных растворов для 3D печати приложений, трафаретной печати, образование волокна, а также прекращение потока. Ряд последних исследований,^5,8,13 четко указывают, что для восстановления штамм является не обязательно то же самое, как штамм введенные во время экспериментов Лаос. Например исследование мягких коллоидных очки в Лаосе¹³ установлено, что для восстановления штамм только 5% при значительно большей общей деформации (420%) накладывается. Закройте другие исследования,^16,21,–^22,23,24 с помощью Кейджа модуль²¹ также заключить, что линейные эластичность может наблюдаться в Лаосе в точке для Максима штамм, подразумевая, что материалы сталкиваются с относительно небольшой деформации в эти мгновения. SPP схема является единственной основой для понимания Лаос который приходится сдвиг в равновесии штамм, который приводит к различие между восстанавливаемых и общая штаммов.

Эта статья призвана облегчить понимание и простота использования метода анализа SPP, предоставляя подробный протокол для анализа бесплатной Лаос, используя два решения концентрации полимера, 4 wt % Ксантановая камедь (XG) водный раствор и 5 wt % ПЭО в растворе ДМСО. Эти системы выбираются из-за их широкий спектр приложений и rheologically интересные свойства. Ксантановая камедь, природный полисахарид высоким молекулярным весом, является исключительно эффективным стабилизатор для водных систем и широко применяется как пищевая добавка для обеспечения желаемого viscosification или в нефтяных скважин для увеличения вязкости и выход точки буровых растворов. ПЭО имеет уникальный гидрофильные свойства и часто используется в фармацевтической продукции и контролируемого высвобождения систем, а также мероприятия по восстановлению почвы. Эти полимерные системы испытываются при различных условиях колебательной сдвига, которые предназначены для обработки, транспорта и конечных условий. Хотя эти практические условия не обязательно разворота потока как колебательная сдвига, поле потока может быть легко аппроксимировать и настроены с независимым контролем прикладной амплитуды и введенных частоты колебательного теста. Кроме того SPP схема может использоваться как описано здесь понимать широкий спектр типов потока, включая те, которые не включают реверсирований потока например недавно предложил UD-Лаос²⁵, в котором применяются большие амплитуды колебаний в одном только направление (ведущих к прозвище «однонаправленный Лаос»). Для простоты и для иллюстративных целей мы ограничиваем текущего исследования традиционной Лаос, который включает периодический поток разворота. Измеренной реологических ответы анализируются с SPP подходом. Мы показали, как использовать программное обеспечение SPP с простых объяснений на основные вычисления шаги для улучшения понимания и использования читателей. Легенда для интерпретации результатов анализа SPP вводится, согласно которой определен тип реологических перехода. Отображаются результаты анализа представитель SPP двух полимеров при различных условиях колебательной сдвига, в котором мы четко определить последовательность физических процессов, содержащий информацию о реакции линейной вязкоупругого материала, а также стационарном реологические свойства материала.

Этот протокол обеспечивает важные детали о том, как выполнять точно нелинейных реологических экспериментов, а также шаг за шагом руководство для анализа и понимания реологических ответы в рамках СПП, как показано на рисунке 1. Начнем, предоставляя введение в инструмент установки и калибровок, следуют конкретные команды для создания коммерчески доступных Реометр сбора высококачественных данных и временной. После того, как были получены данные реологических, мы представляем SPP анализа freeware, с подробным руководством. Кроме того мы обсуждаем как понять ответ время зависимых двух решений концентрации полимера в рамках схемы SPP, сравнивая результаты, полученные из ЛАОСА с линейного режима частоты развертки и кривой устойчивого состояния потока. Эти результаты четко определить, что Растворы полимерные переход между собственный реологических государствами в пределах колебаний, позволяющие более подробную картину их нелинейных временных реологии выйти. Эти данные могут быть использованы для оптимизации обработки условий для формирования продукта, транспорт и использовать. Эти зависимые от времени ответы далее обеспечивают потенциальные пути четко сформировать связи структура свойства обработки, связывая реология микроструктурных информацией, полученной от малого угол рассеяния нейтронов, рентгеновских лучей или света ( SANS, лучей и Салов, соответственно), микроскопия, или подробный моделирования.