הליכי כיול עבור ריאולוגיית סופרפוזיציה אורתוגונלית
Summary
אנו מציגים פרוטוקול כיול מפורט עבור טכניקת ריאולוגיה מסחרית של סופרפוזיציה אורתוגונלית תוך שימוש בנוזלים ניוטוניים, כולל שיטות לקביעת גורמי תיקון אפקט סופי והמלצות לשיטות עבודה מומלצות להפחתת טעויות ניסוי.
Abstract
ריאולוגיה של סופרפוזיציה אורתוגונלית (באנגלית: Orthogonal Superposition או OSP) היא טכניקה ריאולוגית מתקדמת הכוללת הנחת עיוות גזירה תנודתי באמפליטודה קטנה, אורתוגונלי לזרימת גזירה ראשונית. טכניקה זו מאפשרת מדידה של דינמיקה מבנית של נוזלים מורכבים בתנאי זרימה לא ליניאריים, אשר חשוב להבנה וחיזוי של הביצועים של מגוון רחב של נוזלים מורכבים. לטכניקה הריאולוגית של OSP יש היסטוריה ארוכה של פיתוח מאז שנות השישים, בעיקר באמצעות המכשירים שנבנו בהתאמה אישית שהדגישו את כוחה של טכניקה זו. טכניקת OSP זמינה כעת באופן מסחרי לקהילת הריאולוגיה. בהתחשב בעיצוב המסובך של גיאומטריית OSP ושדה הזרימה הלא אידיאלי, המשתמשים צריכים להבין את גודל ומקורות טעות המדידה. מחקר זה מציג הליכי כיול באמצעות נוזלים ניוטוניים הכולל המלצות לשיטות עבודה מומלצות להפחתת טעויות מדידה. באופן ספציפי, מסופק מידע מפורט על שיטת קביעת גורם התוצאה הסופית, הליך מילוי הדגימה וזיהוי טווח המדידה המתאים (למשל, קצב גזירה, תדירות וכו ‘).
Introduction
הבנת התכונות הריאולוגיות של נוזלים מורכבים חיונית לתעשיות רבות לפיתוח וייצור של מוצרים אמינים וניתנים לשכפול1. “נוזלים מורכבים” אלה כוללים תרחיפים, נוזלים פולימריים וקצפים הקיימים באופן נרחב בחיי היומיום שלנו, למשל, במוצרי טיפוח אישי, מזונות, קוסמטיקה ומוצרי בית. תכונות ריאולוגיות או זרימה (למשל, צמיגות) הן כמויות מפתח של עניין בקביעת מדדי ביצועים לשימוש קצה ויכולת עיבוד, אך תכונות זרימה קשורות זו בזו עם מיקרו-מבנים הקיימים בתוך נוזלים מורכבים. אחד המאפיינים הבולטים של נוזלים מורכבים המבדיל אותם מנוזלים פשוטים הוא שהם בעלי מיקרו-מבנים מגוונים המשתרעים על פני קשקשים מרוביםשל אורך 2. מיקרו-מבנים אלה יכולים להיות מושפעים בקלות מתנאי זרימה שונים, אשר, בתורם, גורמים לשינויים בתכונות המקרוסקופיות שלהם. שחרור לולאת מבנה-תכונה זו באמצעות התנהגות ויסקו-אלסטית לא ליניארית של נוזלים מורכבים בתגובה לזרימה ועיוות נותר משימה מאתגרת עבור ריאולוגים ניסיוניים.
ריאולוגיה3 של סופרפוזיציה אורתוגונלית (OSP) היא טכניקה חזקה להתמודדות עם אתגר מדידה זה. בטכניקה זו, זרימת גזירה תנודתית תנודתית באמפליטודה קטנה מונחת אורתוגונלית לזרימה חד-כיוונית ראשונית קבועה-גזירה, המאפשרת מדידה סימולטנית של ספקטרום הרפיה ויסקו-אלסטי תחת זרימת הגזירה הראשונית שנכפתה. ליתר דיוק, ניתן לנתח את הפרעת הגזירה התנודתית הקטנה באמצעות תיאוריות בצמיגות ליניארית4, בעוד שתנאי הזרימה הלא ליניארית מושגת על ידי זרימת הגזירה היציבה הראשונית. מכיוון ששני שדות הזרימה הם אורתוגונליים ולכן אינם מצומדים, ספקטרום ההפרעה יכול להיות קשור ישירות לווריאציה של המיקרו-מבנה תחת הזרימה הלא ליניארית הראשונית5. טכניקת מדידה מתקדמת זו מציעה הזדמנות להבהיר יחסי מבנה-רכוש-עיבוד בנוזלים מורכבים כדי לייעל את ניסוחם, עיבודם ויישומם.
יישום הריאולוגיה המודרנית של OSP לא היה תוצאה של התגלות פתאומית; במקום זאת, הוא מבוסס על עשורים רבים של פיתוח של מכשירים מותאמים אישית. מכשיר OSP הראשון שנעשה בהתאמה אישית מתוארך לשנת 1966 על ידי סימונס6, ומאמצים רבים נעשו לאחר מכן 7,8,9,10. מכשירים מוקדמים אלה שנבנו בהתאמה אישית סובלים מחסרונות רבים כגון בעיות יישור, אפקט זרימת השאיבה (עקב התנועה הצירית של הבוב כדי לספק תנודה אורתוגונלית), ומגבלות על רגישות המכשיר. בשנת 1997, Vermant et al.3 שינו את מתמר איזון הכוח (FRT) על ראומטר מתמר מנוע נפרד מסחרי, אשר איפשר מדידות OSP עבור נוזלים עם טווח צמיגות רחב יותר מאשר התקנים קודמים. שינוי זה מאפשר למתמר איזון הכוח הרגיל לתפקד כריאומטר מבוקר מתח, המטיל תנודה צירית בנוסף למדידה של הכוח הצירי. לאחרונה, הגיאומטריות הדרושות למדידות OSP, לאחר המתודולוגיה של ורמנט, שוחררו עבור ראומטר מתמר מנוע נפרד מסחרי.
מאז הופעתה של ריאולוגיה OSP מסחרית, יש עניין גובר ביישום טכניקה זו לחקר של נוזלים מורכבים שונים. דוגמאות כוללות מתלים קולואידים11,12, ג’לים קולואידים 13,14 ומשקפיים15,16,17. בעוד שהזמינות של המכשיר המסחרי מקדמת את מחקר OSP, הגיאומטריה המסובכת של OSP דורשת הבנה עמוקה יותר של המדידה מאשר טכניקות ריאולוגיות שגרתיות אחרות. תא הזרימה OSP מבוסס על גאומטריית גליל קונצנטרי בעל דופן כפולה (או Couette). הוא כולל עיצוב עליון פתוח ותחתון פתוח כדי לאפשר לנוזל לזרום הלוך ושוב בין המרווחים הטבעתיים לבין המאגר. למרות האופטימיזציה שנעשתה לתכנון הגיאומטריה על ידי היצרן, כאשר עובר פעולת OSP הנוזל חווה שדה זרימה לא הומוגני, השפעות קצה גיאומטריות וזרימת שאיבה שיורית, כל אלה יכולים להציג טעות ניסוי משמעותית. העבודה הקודמת שלנו18 דיווחה על הליכים חשובים לתיקון אפקט סופי באמצעות נוזלים ניוטוניים עבור טכניקה זו. כדי להשיג תוצאות צמיגות נכונות, יש ליישם גורמי אפקט סופי מתאימים הן בכיוון הראשוני והן בכיוון האורתוגונלי. בפרוטוקול זה, אנו שואפים להציג מתודולוגיית כיול מפורטת עבור הטכניקה הריאולוגית של OSP ולספק המלצות לשיטות עבודה מומלצות להפחתת שגיאות מדידה. ההליכים המתוארים במאמר זה על הגדרת גיאומטריה של OSP, טעינת דגימות והגדרות בדיקת OSP צריכים להיות ניתנים לאימוץ בקלות ולתרגום למדידות נוזלים שאינם ניוטוניים. אנו ממליצים למשתמשים להשתמש בהליכי הכיול המתוארים כאן כדי לקבוע את גורמי תיקון אפקט הקצה עבור היישומים שלהם לפני מדידות OSP בכל סיווג נוזלים (ניוטוני או לא ניוטוני). נציין כי הליכי הכיול של גורמי קצה לא דווחו בעבר. הפרוטוקול המובא במאמר הנוכחי מתאר גם מדריך שלב אחר שלב וטיפים כיצד לבצע מדידות ריאולוגיות מדויקות באופן כללי ואת המשאב הטכני להבנת נתונים “גולמיים” לעומת נתונים “מדודים”, שמשתמשי ראומטר עשויים להתעלם מהם.
Protocol
Representative Results
Discussion
בפרוטוקול זה אנו מציגים הליך ניסיוני מפורט לביצוע מדידות כיול צמיגות באמצעות נוזלים ניוטוניים עבור טכניקת ריאולוגיה מסחרית של סופרפוזיציה אורתוגונלית עם גיאומטריית גליל קונצנטרי בעל דופן כפולה. גורמי הכיול, כלומר גורם אפקט הקצה העיקרי C L וגורם אפקט הקצה האורתוגונלי C<e…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
רן טאו רוצה להודות למימון מהמכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה, משרד המסחר האמריקאי תחת מענק 70NANB15H112. המימון לאהרון פורסטר ניתן באמצעות הקצבות של הקונגרס למכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה.
Materials
| Advanced Peltier System | TA Instruments | 402500.901 | Enviromental control device |
| ARES-G2 Rheometer | TA Instruments | 401000.501 | Rheometer |
| Brookfield Silicone Fluid, 12500cP | AMTEK Brookfield | 12500 cps | Viscosity standard liquid |
| OSP Slotted Bob, 33 mm | TA Instruments | 402796.902 | Bob, upper geometry |
| OSP Slotted Double Gap Cup, 34 mm | TA Instruments | 402782.901 | Double wall cup, lower geometry |
| Pipette (1 – 10 mL) | Eppendorf | 3120000089 | To load test materials |
| Pipette (100 – 1,000 µL) | Eppendorf | 3123000063 | To load test materials |
| Pipette Tips (0.5 – 10 mL) | Eppendorf | 022492098 | To load test materials |
| Pipette Tips (50 – 1,000 µL) | Eppendorf | 022491555 | To load test materials |
| Spatula | VWR | 82027-532 | To load test materials |
| TRIOS | TA Instruments | v4.3.1.39215 | Rheometer software |
References
- Macosko, C. W. . Rheology: principles, measurements, and applications. , (1994).
- Larson, R. G. . The Structure and Rheology of Complex Fluids. , (1999).
- Vermant, J., Moldenaers, P., Mewis, J., Ellis, M., Garritano, R. Orthogonal superposition measurements using a rheometer equipped with a force rebalanced transducer. Review of Scientific Instruments. 68 (11), 4090-4096 (1997).
- Ferry, J. D. . Viscoelastic Properties of Polymers. , (1980).
- Yamamoto, M. Rate-dependent relaxation spectra and their determination. Transactions of the Society of Rheology. 15 (2), 331-344 (1971).
- Simmons, J. M. A servo-controlled rheometer for measurement of the dynamic modulus of viscoelastic liquids. Journal of Scientific Instruments. 43 (12), 887-892 (1966).
- Tanner, R. I., Williams, G. On the orthogonal superposition of simple shearing and small-strain oscillatory motions. Rheologica Acta. 10 (4), 528-538 (1971).
- Schoukens, G., Mewis, J. Nonlinear rheological behaviour and shear-dependent structure in colloidal dispersions. Journal of Rheology. 22 (4), 381-394 (1978).
- Zeegers, J., et al. A sensitive dynamic viscometer for measuring the complex shear modulus in a steady shear flow using the method of orthogonal superposition. Rheologica Acta. 34 (6), 606-621 (1995).
- Mewis, J., Schoukens, G. Mechanical spectroscopy of colloidal dispersions. Faraday Discussions of the Chemical Society. 65, 58-64 (1978).
- Lin, N. Y. C., Ness, C., Cates, M. E., Sun, J., Cohen, I. Tunable shear thickening in suspensions. Proceedings of the National Academy of Sciences. 113 (39), 10774-10778 (2016).
- Gracia-Fernández, C., et al. Simultaneous application of electro and orthogonal superposition rheology on a starch/silicone oil suspension. Journal of Rheology. 60 (1), 121-127 (2015).
- Sung, S. H., Kim, S., Hendricks, J., Clasen, C., Ahn, K. H. Orthogonal superposition rheometry of colloidal gels: time-shear rate superposition. Soft Matter. 14 (42), 8651-8659 (2018).
- Colombo, G., et al. Superposition rheology and anisotropy in rheological properties of sheared colloidal gels. Journal of Rheology. 61 (5), 1035-1048 (2017).
- Jacob, A. R., Poulos, A. S., Kim, S., Vermant, J., Petekidis, G. Convective Cage Release in Model Colloidal Glasses. Physical Review Letters. 115 (21), 218301 (2015).
- Jacob, A. R., Poulos, A. S., Semenov, A. N., Vermant, J., Petekidis, G. Flow dynamics of concentrated starlike micelles: A superposition rheometry investigation into relaxation mechanisms. Journal of Rheology. 63 (4), 641-653 (2019).
- Moghimi, E., Vermant, J., Petekidis, G. Orthogonal superposition rheometry of model colloidal glasses with short-ranged attractions. Journal of Rheology. 63 (4), 533-546 (2019).
- Tao, R., Forster, A. M. End effect correction for orthogonal small strain oscillatory shear in a rotational shear rheometer. Rheologica Acta. 59 (2), 95-108 (2020).
- Schrag, J. L. Deviation of velocity gradient profiles from the “gap loading” and “surface loading” limits in dynamic simple shear experiments. Transactions of the Society of Rheology. 21 (3), 399-413 (1977).
- Ewoldt, R. H., Johnston, M. T., Caretta, L. M., Spagnolie, S. . Complex Fluids in Biological Systems. Biological and Medical Physics, Biomedical Engineering. , 207-241 (2015).
