Procedure di calibrazione per la reologia della sovrapposizione ortogonale

La comprensione delle proprietà reologiche dei fluidi complessi è essenziale per molte industrie per lo sviluppo e la produzione di prodotti affidabili e riproducibili¹. Questi “fluidi complessi” includono sospensioni, liquidi polimerici e schiume che esistono ampiamente nella nostra vita quotidiana, ad esempio nei prodotti per la cura personale, negli alimenti, nei cosmetici e nei prodotti per la casa. Le proprietà reologiche o di flusso (ad esempio, viscosità) sono quantità chiave di interesse per stabilire metriche di prestazione per l’uso finale e la processabilità, ma le proprietà di flusso sono interconnesse con le microstrutture che esistono all’interno di fluidi complessi. Una caratteristica importante dei fluidi complessi che li distingue dai liquidi semplici è che possiedono diverse microstrutture che coprono scale di lunghezza multipla². Queste microstrutture possono essere facilmente influenzate da diverse condizioni di flusso, che, a loro volta, comportano cambiamenti nelle loro proprietà macroscopiche. Sbloccare questo ciclo struttura-proprietà attraverso il comportamento viscoelastico non lineare di fluidi complessi in risposta al flusso e alla deformazione rimane un compito impegnativo per i reologi sperimentali.

La reologia della sovrapposizione ortogonale (OSP)³ è una tecnica robusta per affrontare questa sfida di misurazione. In questa tecnica, un flusso di taglio oscillatorio di piccola ampiezza viene sovrapposto ortogonalmente a un flusso di taglio stazionario primario unidirezionale, che consente la misurazione simultanea di uno spettro di rilassamento viscoelastico sotto il flusso di taglio primario imposto. Per essere più specifici, la piccola perturbazione oscillatoria di taglio può essere analizzata usando teorie in viscoelasticità lineare⁴, mentre la condizione di flusso non lineare è ottenuta dal flusso di taglio stazionario primario. Poiché i due campi di flusso sono ortogonali e quindi non accoppiati, gli spettri di perturbazione possono essere direttamente correlati alla variazione della microstruttura sotto il flusso primario non lineare⁵. Questa tecnica di misurazione avanzata offre l’opportunità di chiarire le relazioni struttura-proprietà-elaborazione in fluidi complessi per ottimizzarne la formulazione, l’elaborazione e l’applicazione.

L’implementazione della moderna reologia OSP non è stata il risultato di un’improvvisa epifania; Piuttosto, si basa su molti decenni di sviluppo di dispositivi personalizzati. Il primo apparato OSP su misura risale al 1966 da Simmons⁶, e molti sforzi sono stati fatti successivamente 7,8,9,10. Questi primi dispositivi costruiti su misura soffrono di molti inconvenienti come problemi di allineamento, l’effetto del flusso di pompaggio (dovuto al movimento assiale del bob per fornire oscillazioni ortogonali) e limiti alla sensibilità dello strumento. Nel 1997, Vermant et ^al.3 hanno modificato il trasduttore di ribilanciamento della forza (FRT) su un reometro a motore-trasduttore separato commerciale, che ha permesso misurazioni OSP per fluidi con un intervallo di viscosità più ampio rispetto ai dispositivi precedenti. Questa modifica consente al trasduttore di ribilanciamento della forza normale di funzionare come un reometro controllato dallo stress, imponendo un’oscillazione assiale oltre a una misurazione della forza assiale. Recentemente, le geometrie richieste per le misure OSP, dopo la metodologia di Vermant, sono state rilasciate per un reometro commerciale separato motore-trasduttore.

Dall’avvento della reologia OSP commerciale, c’è un crescente interesse nell’applicare questa tecnica per lo studio di vari fluidi complessi. Gli esempi includono sospensioni colloidali 11,12, gel colloidali^13,14 e vetri^15,16,17. Mentre la disponibilità dello strumento commerciale promuove la ricerca OSP, la complicata geometria OSP richiede una comprensione più profonda della misurazione rispetto ad altre tecniche reologiche di routine. La cella di flusso OSP si basa su una geometria cilindrica concentrica a doppia parete (o Couette). È dotato di un design aperto superiore e aperto inferiore per consentire al fluido di fluire avanti e indietro tra gli spazi anulari e il serbatoio. Nonostante l’ottimizzazione apportata al progetto geometrico dal produttore, quando viene sottoposto a funzionamento OSP il fluido sperimenta un campo di flusso disomogeneo, effetti finali geometrici e flusso di pompaggio residuo, che possono introdurre errori sperimentali sostanziali. Il nostro precedente lavoro¹⁸ ha riportato importanti procedure di correzione dell’effetto finale utilizzando fluidi newtoniani per questa tecnica. Per ottenere risultati di viscosità corretti, devono essere applicati appropriati fattori di effetto finale sia in direzione primaria che ortogonale. In questo protocollo, miriamo a presentare una metodologia di calibrazione dettagliata per la tecnica reologica OSP e fornire raccomandazioni per le migliori pratiche per ridurre gli errori di misurazione. Le procedure descritte in questo documento sull’impostazione della geometria OSP, sul caricamento dei campioni e sulle impostazioni di test OSP dovrebbero essere facilmente adottabili e tradotte per le misure di fluidi non newtoniani. Consigliamo agli utenti di utilizzare le procedure di calibrazione qui descritte per determinare i fattori di correzione dell’effetto finale per le loro applicazioni prima delle misurazioni OSP su qualsiasi classificazione di fluido (newtoniana o non newtoniana). Notiamo che le procedure di calibrazione per i fattori finali non sono state riportate in precedenza. Il protocollo fornito nel presente documento descrive anche la guida passo-passo e suggerimenti su come eseguire misurazioni reologiche accurate in generale e la risorsa tecnica sulla comprensione dei dati “grezzi” rispetto ai dati “misurati”, che possono essere trascurati dagli utenti del reometro.