Estudio de respuesta de cizalla oscilatoria de amplitud grande de materiales blandos

Soluciones concentradas de polímeras se utilizan en una variedad de aplicaciones industriales principalmente para incrementar la viscosidad en alimentos¹ y otros productos de consumidor², de recuperación mejorada del petróleo³y remediación de suelo⁴. Durante su procesamiento y uso, necesariamente están sometidos a grandes deformaciones en el rango de escalas de tiempo. En tales procesos, manifiestan comportamientos reológicos no lineales ricos y complejos que dependen de la condiciones de flujo o deformación¹. Entender estos comportamientos reológicos no lineales complejos es esencial para con éxito control de procesos, diseño de productos de calidad superior y maximizar la eficiencia energética. Aparte de la importancia industrial, hay un gran interés académico en la comprensión de los comportamientos reológicos de los materiales poliméricos lejos de equilibrio.

Pruebas de cizallamiento oscilatorio son un componente básico de cada caracterización reológica completa debido a la aplicación ortogonal de cepa y cepa tipo⁵y la capacidad de controlar independientemente la longitud y el tiempo escala sondeada por afinar la amplitud y frecuencia. La respuesta de estrés a las cepas de cizalla oscilatoria de pequeña amplitud, que son lo bastante pequeño como para no perturbar la estructura interna de un material, se puede descomponer en componentes en fase con la tensión y en fase con el grado de deformación. Los coeficientes de los componentes en fase con la tensión y el grado de deformación son designados como los módulos dinámicos^6,7e individualmente como el módulo de almacenamiento de información, y el módulo de pérdida, . Los módulos dinámicos conducen para despejar interpretaciones elástico y viscosas. Sin embargo, interpretaciones basadas en estos módulos dinámicos son válidos sólo para las amplitudes de tensión pequeñas, donde las respuestas de estrés a excitaciones sinusoidales también son sinusoidales. Este régimen se conoce generalmente como la cizalla oscilatoria de pequeña amplitud (SAOS), o el régimen viscoelástico lineal. Como la deformación impuesta se hace más grande, se inducen cambios en la microestructura del material, que se reflejan en la complejidad de la tensión transitoria no sinusoidal respuestas⁸. En este régimen rheologically no lineal, que imita más de cerca a condiciones de uso industriales de procesamiento y consumo, los módulos dinámicos actúan como pobres descripciones de la respuesta. Otra manera de entender cómo concentrados materiales blandos comportan fuera de equilibrio es necesario.

Una serie de recientes estudios^{9,10,11,12,13,14,15,16} han demostrado que los materiales pasan a través de cambios estructurales y dinámicos de diversidad intra-ciclo habían provocada por grandes deformaciones en la amplitud media cizalla oscilatoria (MAOS)^15,17 y en cizalla oscilatoria de amplitud grande regímenes (LAOS). Los cambios estructurales y dinámicos de intra-ciclo tienen diferentes manifestaciones, tales como rotura de microestructura, anisotropía estructural, los cambios locales, reforma y cambios en la difusividad. Estos cambios físicos intra-ciclo en el régimen no lineal conducen a las respuestas de estrés no lineal compleja que no pueden interpretarse simplemente con módulos dinámicos. Como alternativa, se han sugerido varios métodos para la interpretación de las respuestas de estrés no lineal. Ejemplos comunes de esto son Fourier transform reología (reología FT)¹⁸, serie de energía expansiones¹¹, los Chebyshev Descripción¹⁹y la secuencia de procesos físicos (SPP)^{5,8, 13,14,20} análisis. Aunque todas estas técnicas han demostrado ser matemáticamente sólido, sigue siendo una pregunta sin respuesta en cuanto a si alguna de estas técnicas puede proporcionar claras y razonables explicaciones físicas de las respuestas no lineales de tensión oscilatoria. Sigue siendo un desafío excepcional para proporcionar interpretaciones concisas de datos reológicos que se correlacionan con las medidas estructurales y dinámicas.

En un estudio reciente, se analizó la respuesta de estrés no lineal de la reología vidrioso suave (SGR) modelo⁸ y un vidrio suave hecha de polímeros estrella coloidal⁷bajo cizalla oscilatoria a través del esquema SPP. Cambios temporales en las propiedades elásticas y viscosas inherentes en las respuestas de estrés no lineal se cuantificaron por separado por los módulos SPP, y . Además, la transición reológica representada por módulos transitorios con precisión se correlacionó con cambios microestructurales representadas por la distribución de elementos mesoscópica. En el estudio de la SGR modelo⁸, fue demostrado claramente que esa interpretación reológicas vía el esquema SPP refleja con exactitud los cambios físicos en todas las condiciones de cizalla oscilatoria en los regimenes lineares y no lineales para lentes blandos. Esta capacidad única para proporcionar interpretación física exacta de respuestas no lineales de gafas suaves hace que el método SPP un enfoque atractivo para investigadores que estudian fuera de equilibrio dinámica de soluciones de polímeros y otros materiales blandos.

El esquema SPP está construido alrededor de ver comportamientos reológicos como la que ocurre en un espacio tridimensional () que consiste en la cepa (), grado de deformación () y el estrés ()⁵. En un sentido matemático, las respuestas de estrés son tratadas como funciones multivariables de la cepa y cepa (). Como el comportamiento reológico se considera como una trayectoria en (o una función multivariable), una herramienta para examinar las propiedades de una trayectoria es necesaria. En el enfoque de la SPP, los módulos transitorios y jugar un papel. El módulo elástico transitorio y el módulo viscoso se definen como derivados parciales de la tensión con respecto a la cepa () y el grado de deformación (). Siguiendo la definición física de módulos elásticos y viscosos diferencial, móduli transitoria cuantificar la influencia instantánea de la tensión y grado de deformación en la respuesta al estrés respectivamente, mientras que otros métodos de análisis no pueden proporcionar cualquier información de propiedades viscosas y elásticas por separado.

El enfoque SPP enriquece la interpretación de las pruebas de cizallamiento oscilatorio. Con el análisis de la SPP, los comportamientos reológicos no lineales complejo de soluciones poliméricas concentradas en LAOS pueden ser directamente relacionada con los comportamientos reológicos lineales en SAOS. Mostramos en este trabajo cómo el módulo de elasticidad máxima transitorio (_max) cerca de la tensión extrema corresponde al módulo de almacenamiento de información en el régimen lineal (SAOS). Además, mostramos cómo el módulo viscoso transitorio () durante un LAOS ciclo traza la curva de flujo de estado estacionario. Además proporcionar detalles de la compleja secuencia de procesos que concentran soluciones de polímeros pasan por debajo de LAOS, el esquema de la SPP también proporciona información sobre la tensión recuperable en el material. Esta información, que no es obtenible a través de otros enfoques, es una medida útil de cuánto material se retroceso una vez que se quita el estrés. Tal comportamiento tiene impacto en la capacidad de impresión de las soluciones concentradas para aplicaciones de impresión 3D, así como impresión de la pantalla, formación de la fibra y cese de flujo. Un número de estudios recientes,^5,8,13 indican claramente que la tensión recuperable no es necesariamente igual a la tensión impuesta durante los experimentos de LAOS. Por ejemplo, un estudio de suaves cristales coloidales en LAOS¹³ encontró que la tensión recuperable es sólo el 5% cuando significativamente mayor total tensión (420%) se impone. Otros estudios^{16,21,22,23,24} utilizando el módulo de jaula²¹ también concluyen que la elasticidad lineal puede observarse en LAOS en el punto de cierre a los máximos de tensión, lo que implica que los materiales experimentaron relativamente pequeña deformación en esos instantes. El esquema SPP es el único marco de LAOS de comprensión representa un cambio en el equilibrio de la tensión que conduce a una diferencia entre los recuperables y las cepas total.

Este artículo tiene como objetivo facilitar el entendimiento y facilidad de uso del método de análisis SPP un protocolo detallado para un programa gratuito análisis de LAOS, utilizando dos soluciones de concentración del polímero, una 4 solución acuosa wt % goma xantana (XG) y un 5% de peso PEO en la solución de DMSO. Estos sistemas son elegidos debido a su amplia gama de aplicaciones y rheologically interesantes propiedades. Goma xantana, un polisacárido natural de alto peso molecular, es un excepcionalmente eficaz estabilizador para sistemas acuosos y comúnmente se aplican como un aditivo para proporcionar viscosification deseada o en aceite de perforación para aumentar la viscosidad y producir puntos de lodos de perforación. PEO tiene una única propiedad hidrofílica y a menudo se utiliza en productos farmacéuticos y sistemas de liberación controlada, así como actividades de remediación de suelo. Estos sistemas poliméricos se prueban en diversas condiciones de cizalla oscilatoria que se pretenden aproximar el procesamiento, transporte y condiciones de uso finales. Aunque estas condiciones prácticas pueden no implicar necesariamente la revocación del flujo como en cizalla oscilatoria, el campo de flujo puede aproximar fácilmente y ajustado con el control independiente de la amplitud aplicada e impuesto de frecuencia en una prueba oscilatoria. Además, el esquema SPP puede utilizarse como se describe aquí para comprender una amplia gama de tipos de flujo, incluyendo aquellos que no incluyen inversiones de flujo como el propuesto recientemente UD-LAOS²⁵, en el que las oscilaciones de gran amplitud se aplican en una Dirección (hacia el apodo “unidireccional LAOS”). Por simplicidad y para fines ilustrativos, restringimos el estudio actual a LAOS tradicionales, que incluyen la revocación del flujo periódico. Se analizan las respuestas reológicas medidas con el enfoque SPP. Nos muestran cómo utilizar el software SPP con explicaciones simples sobre los pasos de cálculo salientes para mejorar la comprensión y uso de los lectores. Una leyenda para interpretar los resultados de análisis de la SPP se introduce, según la cual se identifica el tipo de transición reológica. Representante SPP análisis resultados de los dos polímeros bajo varias condiciones de esfuerzo cortante oscilatorio se muestran, en el que identificamos claramente una secuencia de procesos físicos que contiene información sobre viscoelástico lineal respuesta el material así como las propiedades de flujo de estado estacionario del material.

Este protocolo proporciona detalles salientes de cómo exactamente realizar experimentos reológicos no lineales, así como un paso a paso guía para analizar y comprender respuestas reológicas con el marco de la SPP, como se muestra en la figura 1. Empezaremos por una introducción a la configuración de instrumentos y calibraciones, seguidas de comandos específicos para la fabricación de un reómetro comercios recolectar datos transitorios de alta calidad. Una vez obtenidos los datos reológicos, introducimos el SPP análisis gratuito, con un manual detallado. Además, discutimos cómo entender la respuesta dependiente del tiempo de las dos soluciones de polímero concentrado dentro del esquema SPP, mediante la comparación de los resultados obtenidos de LAOS con el barrido de frecuencia lineal régimen y la curva de flujo de estado estacionario. Estos resultados claramente identifican que las soluciones de polímero transición entre distintos Estados reológicos dentro de una oscilación, lo que permite un cuadro más detallado de su reología no lineal transitoria a emerger. Estos datos pueden utilizarse para optimizar las condiciones de proceso para la formación del producto, transporte y usan. Estas respuestas dependientes del tiempo más proporcionan posibles caminos hacia la forma claramente las relaciones estructura-propiedad-proceso por la reología de acoplamiento microestructural información obtenida de la dispersión de neutrones, rayos x o luz (de pequeño ángulo SANS, SAXS y SALS, respectivamente), microscopía, o simulaciones detalladas.