हम कैसे नरम सामग्री पर अरैखिक दोलनी कतरनी rheology प्रदर्शन करने के लिए, और कैसे एसपीपी-लाओस विश्लेषण चलाने के लिए शारीरिक प्रक्रियाओं के एक अनुक्रम के रूप में प्रतिक्रियाओं को समझने के लिए रूपरेखा एक विस्तृत प्रोटोकॉल पेश करते हैं ।
हम बड़े आयाम के दौरान प्रदर्शित भौतिक प्रक्रियाओं के अनुक्रम की जांच डाइमेथिल सल्फॉक्साइड (dmso) और जिंक गम में पॉलीएथीलीन ऑक्साइड (पीईओ) के बाल काटना बढ़ाया तेल वसूली, और मिट्टी remediation । नरम सामग्री के अरैखिक रियोलॉजिकल व्यवहार को समझना कई उपभोक्ता उत्पादों के डिजाइन और नियंत्रित विनिर्माण में महत्वपूर्ण है । यह दिखाया गया है कि कैसे इन बहुलक समाधान के लाओस के लिए प्रतिक्रिया के संदर्भ में व्याख्या की जा सकती है रैखिक viscoelasticity से viscoelasticity विरूपण के लिए एक स्पष्ट संक्रमण और वापस फिर से एक अवधि के दौरान । लाओस परिणाम भौतिक प्रक्रियाओं की पूरी तरह से मात्रात्मक अनुक्रम (SPP) तकनीक के माध्यम से विश्लेषण कर रहे हैं, मुफ्त matlab आधारित सॉफ्टवेयर का उपयोग कर । एक वाणिज्यिक रियोमीटर के साथ एक लाओस माप प्रदर्शन का एक विस्तृत प्रोटोकॉल, फ्रीवेयर के साथ अरैखिक तनाव प्रतिक्रियाओं का विश्लेषण, और लाओस के तहत शारीरिक प्रक्रियाओं की व्याख्या प्रस्तुत की है । यह आगे दिखाया गया है कि, एसपीपी ढांचे के भीतर, एक लाओस प्रतिक्रिया रैखिक viscoelasticity के बारे में जानकारी शामिल, क्षणिक प्रवाह घटता है, और nonlinearity की शुरुआत के लिए जिम्मेदार महत्वपूर्ण तनाव.
केंद्रित बहुलक समाधान मुख्यतः औद्योगिक अनुप्रयोगों की एक किस्म में उपयोग किया जाता है चिपचिपापन को बढ़ाने के लिए, खाद्य पदार्थों में1 और अंय उपभोक्ता उत्पादों2, बढ़ाया तेल वसूली3, और मिट्टी रिमेडियेशन4सहित । उनके प्रसंस्करण और उपयोग के दौरान, वे आवश्यक रूप से timescales की एक श्रृंखला में बड़े विरूपण के अधीन हैं । ऐसी प्रक्रियाओं के तहत, वे अमीर और जटिल अरैखिक रियोलॉजिकल व्यवहार है कि प्रवाह या विरूपण शर्तों1पर निर्भर करता है प्रदर्शन । इन जटिल अरैखिक रियोलॉजिकल व्यवहार को समझना सफलतापूर्वक प्रक्रियाओं को नियंत्रित करने के लिए आवश्यक है, बेहतर उत्पादों को डिजाइन, और ऊर्जा दक्षता अधिकतम । औद्योगिक महत्व के अलावा, वहां संतुलन से दूर बहुलक सामग्री के rheological व्यवहार को समझने में अकादमिक हित का एक बड़ा सौदा है ।
Oscillatory कतरनी परीक्षण तनाव और तनाव दर5के ओर्थोगोनल आवेदन के कारण हर पूरी तरह से रियोलॉजिकल लक्षण वर्णन के एक प्रधान घटक हैं, और स्वतंत्र रूप से लंबाई और समय तराजू ट्यूनिंग द्वारा जांच की क्षमता को नियंत्रित करने के लिए आयाम और आवृत्ति । तनाव प्रतिक्रिया के लिए छोटे आयाम दोलनी कतरनी उपभेदों, जो काफी छोटे करने के लिए एक सामग्री की आंतरिक संरचना को परेशान नहीं कर रहे हैं, तनाव के साथ चरण में घटकों में विघटित जा सकता है और तनाव दर के साथ चरण में. तनाव और विकृति दर के साथ चरण में घटकों के गुणांक सामूहिक रूप से गतिशील माडवी6,7के रूप में संदर्भित कर रहे हैं, और व्यक्तिगत रूप से भंडारण माहांक , और हानि माडवी के रूप में । गतिशील माडवी स्पष्ट लोचदार और चिपचिपा व्याख्याओं का नेतृत्व । हालांकि, इन गतिशील माडवी पर आधारित व्याख्याएं केवल छोटे तनाव amplitudes के लिए मांय हैं, जहां ज्यावक्रीय excitations के लिए तनाव प्रतिक्रियाओं भी sinusoidal हैं । इस शासन को सामान्यतः लघु आयाम दोलन कतरनी (SAOS) या रेखीय श्यान प्रत्यास्थ शासन के रूप में संदर्भित किया जाता है । के रूप में लगाया विरूपण बड़ा हो जाता है, परिवर्तन सामग्री microstructure है, जो गैर sinusoidal क्षणिक तनाव प्रतिक्रियाओं8की जटिलता में परिलक्षित होते हैं में प्रेरित कर रहे हैं. इस रियोलॉजिकली अरैखिक शासन में, जो और अधिक निकटता से औद्योगिक प्रसंस्करण और उपभोक्ता उपयोग की स्थितियों mimics, गतिशील माडवी प्रतिक्रिया के गरीब विवरण के रूप में कार्य करते हैं । एक और तरीका है कि कैसे केंद्रित नरम सामग्री संतुलन के बाहर व्यवहार को समझने के लिए आवश्यक है ।
हाल ही में अध्ययन के एक नंबर9,10,11,12,13,14,15,16 से पता चला है कि सामग्री के माध्यम से पारित मध्यम आयाम दोलनी कतरनी (maos)15,17 और बड़े आयाम दोलनी कतरनी (लाओस) शासनों में बड़े विरूपण द्वारा विविध अंतरा चक्र संरचनात्मक और गतिकीय परिवर्तन elicited । अंतरा-चक्र संरचनात्मक और गतिकीय परिवर्तन के विभिन्न अभिव्यक्तियाँ हैं, जैसे कि माइक्रोस्ट्रक्चर का टूटना, संरचनात्मक असमरूपता, स्थानीय पुनर्व्यवस्था, सुधार, और विसरणशीलता में परिवर्तन. ये अंतरा-चक्र अरैखिक शासन में भौतिक परिवर्तन जटिल अरैखिक तनाव प्रतिक्रिया है कि बस गतिशील moduli के साथ व्याख्या नहीं की जा सकती करने के लिए सीसा । एक विकल्प के रूप में, कई दृष्टिकोण अरैखिक तनाव प्रतिक्रियाओं की व्याख्या के लिए सुझाव दिया गया है । इस के आम उदाहरण है फूरियर ट्रांस्फ़ॉर्म रियोलोजी (एफटी rheology)18, शक्ति श्रृंखला विस्तार11, chebyshev विवरण19, और शारीरिक प्रक्रियाओं के अनुक्रम (SPP)5,8, 13,14,20 विश्लेषण । हालांकि इन तकनीकों के सभी गणितीय मजबूत होना दिखाया गया है, यह अभी भी इन तकनीकों में से किसी को स्पष्ट और उचित अरैखिक दोलनी तनाव प्रतिक्रियाओं के शारीरिक स्पष्टीकरण प्रदान कर सकते है के रूप में एक अनुत्तरित सवाल है । यह एक उत्कृष्ट के लिए रियोलॉजिकल डेटा है कि संरचनात्मक और गतिकीय उपायों से सहसंबंधित की संक्षिप्त व्याख्या प्रदान चुनौती बनी हुई है ।
हाल ही में एक अध्ययन में, नरम शीशे का रोग (sgr) मॉडल8 के अरैखिक तनाव प्रतिक्रिया और एक नरम गिलास दोलनी कतरनी के तहत कोलॉइडी स्टार पॉलिमर7से बना एसपीपी योजना के माध्यम से विश्लेषण किया गया था । अरैखिक प्रतिबल प्रत्युत्तरों में निहित प्रत्यास्थ तथा श्यान गुणों में कालिक परिवर्तन एसपीपी मॉड्यूली द्वारा पृथक रूप से निर्धारित किए गए थे । इसके अलावा, रियोलॉजिकल संक्रमण क्षणिक माडवी द्वारा प्रतिनिधित्व सही microstructural परिवर्तन mesoscopic तत्वों के वितरण का प्रतिनिधित्व करने के लिए सहसंबद्ध था । Sgr मॉडल8के अध्ययन में, यह स्पष्ट रूप से दिखाया गया था कि एसपीपी योजना के माध्यम से rheological व्याख्या सटीक नरम चश्मे के लिए रैखिक और अरैखिक सरकारों में सभी दोलनी कतरनी शर्तों के तहत शारीरिक परिवर्तन को दर्शाता है । इस अनूठी क्षमता नरम चश्मे के अरैखिक प्रतिक्रियाओं का सटीक शारीरिक व्याख्या प्रदान करने के लिए एसपीपी विधि बाहर बहुलक समाधान और अन्य नरम सामग्री की संतुलन गतिशीलता का अध्ययन कर रहे शोधकर्ताओं के लिए एक आकर्षक दृष्टिकोण बनाता है.
एसपीपी योजना एक तीन आयामीअंतरिक्ष () है कि तनाव(), तनाव दर (), और तनाव ()5में होने वाली के रूप में देखने rheological व्यवहार के आसपास बनाया गया है । एक गणितीय अर्थ में, तनाव प्रतिक्रियाओं को तनाव और विकृति दर () के बहुसारिनीय कार्यों के रूप में माना जाता है । के रूप में rheological व्यवहार में एक प्रक्षेपवक्र के रूप में माना जाता है (या एक multivariable समारोह), एक प्रक्षेपवक्र के गुणों पर चर्चा के लिए एक उपकरण की आवश्यकता है । एसपीपी दृष्टिकोण में क्षणिक गुणांक और ऐसी भूमिका निभाते हैं । क्षणिक लोचदार गुणांक और चिपचिपा मामांक तनाव () और तनाव दर () के संबंध में दबाव के आंशिक डेरिवेटिव के रूप में परिभाषित कर रहे हैं । विभेदक लोचदार और चिपचिपा माडवी की शारीरिक परिभाषा के बाद, क्षणिक माडवी तनाव प्रतिक्रिया पर क्रमशः तनाव और तनाव दर के तात्कालिक प्रभाव की मात्रा निर्धारित करते हैं, जबकि अन्य विश्लेषण विधियों में से कोई भी प्रदान नहीं कर सकते लोचदार और चिपचिपा गुणों पर अलग से जानकारी ।
एसपीपी दृष्टिकोण दोलनी कतरनों परीक्षणों की व्याख्या को समृद्ध करता है । एसपीपी विश्लेषण के साथ, लाओस में केंद्रित पॉलीमेरिक समाधान के जटिल अरैखिक रियोलॉजिकल व्यवहार सीधे saos में रैखिक rheological व्यवहार करने के लिए संबंधित हो सकता है । हम इस काम में दिखाने के लिए कैसे तनाव extrema के पासअधिकतम क्षणिक लोचदार मापांक (अधिकतम) रैखिक शासन (saos) में भंडारण मापांक से मेल खाती है. इसके अलावा, हम दिखाते हैं कि कैसे एक लाओस चक्र केदौरान क्षणिक श्यान मापांक () स्थिर राज्य प्रवाह वक्र निशान । प्रक्रियाओं के जटिल अनुक्रम का विवरण प्रदान करने के अलावा कि केंद्रित बहुलक समाधान लाओस के तहत के माध्यम से जाना, एसपीपी योजना भी सामग्री में वसूली तनाव के बारे में जानकारी प्रदान करता है । यह जानकारी है, जो अंय तरीकों के माध्यम से प्राप्य नहीं है, कितना एक सामग्री हटना होगा एक बार तनाव हटा दिया जाता है की एक उपयोगी उपाय है । इस तरह के व्यवहार 3 डी मुद्रण अनुप्रयोगों के लिए केंद्रित समाधान की printability पर प्रभाव पड़ता है, साथ ही स्क्रीन प्रिंटिंग, फाइबर गठन, और प्रवाह समाप्ति. हाल ही में किए गए अध्ययनों की संख्या5,8,13 में स्पष्ट रूप से यह संकेत मिलता है कि यह जरूरी नहीं है कि वसूली जाने वाला तनाव लाओस के प्रयोगों के दौरान लगाए गए तनाव के समान ही हो । उदाहरण के लिए, लाओस13 के तहत नरम कोलाइडयन चश्मे के एक अध्ययन में पाया गया कि वसूली तनाव केवल 5% है जब काफी बड़ा कुल तनाव (४२०%) लगाया जाता है । अंय अध्ययन16,21,22,23,24 पिंजरे मापांक21 का उपयोग भी निष्कर्ष है कि रैखिक लोच बिंदु पर बंद लाओस के तहत मनाया जा सकता है को तनाव maxima, जिसका अर्थ है कि सामग्री उन instants पर अपेक्षाकृत छोटे विरूपण का अनुभव । एसपीपी योजना लाओस को समझने की एकमात्र रूपरेखा है जो विकृति संतुलन में बदलाव के लिए है जिससे प्राप्य और कुल उपभेदों के बीच अंतर होता है ।
इस अनुच्छेद के लिए समझ की सुविधा और एसपीपी विश्लेषण विधि के उपयोग की आसानी एक लाओस विश्लेषण फ्रीवेयर के लिए एक विस्तृत प्रोटोकॉल प्रदान करने के लिए, दो केंद्रित बहुलक समाधान, एक 4 wt% जिंक गम (XG) जलीय समाधान और DMSO समाधान में एक 5 wt% PEO का उपयोग करना है । इन पद्धतियों क्योंकि उनके आवेदन की व्यापक रेंज और rheologically दिलचस्प गुणों के चुना जाता है । जिंक गम, एक प्राकृतिक उच्च आणविक-वजन polysacचार्यो, जलीय प्रणालियों के लिए एक असाधारण प्रभावी स्थिरता है और आमतौर पर एक खाद्य additive के रूप में लागू करने के लिए वांछित viscosification प्रदान करने के लिए या तेल ड्रिलिंग में चिपचिपापन और उपज अंक बढ़ाने के लिए ड्रिलिंग muds । PEO एक अद्वितीय हाइड्रोफिलिक संपत्ति है और अक्सर दवा उत्पादों और नियंत्रित रिलीज सिस्टम के साथ ही मिट्टी रिमेडियेशन गतिविधियों में प्रयोग किया जाता है । इन बहुलक प्रणालियों विभिन्न दोलनी कतरनी शर्तों है कि लगभग प्रसंस्करण, परिवहन, और अंत उपयोग की स्थिति के लिए इरादा कर रहे हैं के तहत परीक्षण कर रहे हैं. इन व्यावहारिक स्थितियों जरूरी नहीं कि दोलनी कतरनी के रूप में प्रवाह उत्क्रमण शामिल नहीं हो सकता है, प्रवाह क्षेत्र आसानी से approximated किया जा सकता है और लागू आयाम के स्वतंत्र नियंत्रण के साथ tuned और एक दोलनी परीक्षण में आवृत्ति लगाया । इसके अलावा, एसपीपी योजना के रूप में यहां वर्णित के रूप में प्रवाह प्रकार की एक विस्तृत श्रृंखला को समझने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, उन है कि प्रवाह reversals जैसे हाल ही में प्रस्तावित उद-लाओस25, जिसमें बड़े आयाम दोलनों एक में लागू कर रहे है शामिल नहीं है सहित दिशा ही (moniker “uni-दिशात्मक लाओस के लिए अग्रणी”) । सादगी के लिए, और उदाहरण के प्रयोजनों के लिए, हम पारंपरिक लाओस, जो आवधिक प्रवाह उत्क्रमण शामिल है करने के लिए वर्तमान अध्ययन को सीमित । मापा rheological प्रतिक्रियाओं एसपीपी दृष्टिकोण के साथ विश्लेषण कर रहे हैं । हम पाठकों की समझ और उपयोग में सुधार करने के लिए प्रमुख गणना कदम पर सरल स्पष्टीकरण के साथ एसपीपी सॉफ्टवेयर का उपयोग करने के लिए कैसे प्रदर्शन करते हैं । एसपीपी विश्लेषण परिणाम की व्याख्या के लिए एक किंवदंती शुरू की है, जिसके अनुसार रियोलॉजिकल संक्रमण के प्रकार की पहचान की है । प्रतिनिधि SPP विश्लेषण परिणाम विभिंन दोलनी कतरनी शर्तों के तहत दो पॉलिमर के परिणामों में प्रदर्शित कर रहे हैं, जिसमें हम स्पष्ट रूप से भौतिक प्रक्रियाओं के एक अनुक्रम की पहचान है कि सामग्री के रेखीय श्यानप्रत्यास्थ प्रतिक्रिया के बारे में जानकारी शामिल है और साथ ही सामग्री के स्थिर राज्य प्रवाह गुण ।
इस प्रोटोकॉल कैसे सही अरैखिक रियोलॉजिकल प्रयोग करने के लिए, साथ ही साथ एक कदम दर कदम गाइड का विश्लेषण करने के लिए और एसपीपी ढांचे के साथ रियोलॉजिकल प्रतिक्रियाओं को समझने के लिए, जैसा कि चित्रा 1में दिखाया गया है की मुख्य जानकारी प्रदान करता है । हम साधन सेटअप और कैलिब्रेशन के लिए एक परिचय प्रदान करके शुरू, एक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध करने के लिए विशिष्ट आदेशों के बाद-रियोमीटर उच्च गुणवत्ता वाले परिवर्तनीय डेटा इकट्ठा । एक बार rheological डेटा प्राप्त किया गया है, हम एक विस्तृत मैनुअल के साथ एसपीपी विश्लेषण फ्रीवेयर, परिचय । इसके अलावा, हम चर्चा कैसे एसपीपी योजना के भीतर दो केंद्रित बहुलक समाधान के समय निर्भर प्रतिक्रिया को समझने के लिए, रैखिक शासन आवृत्ति झाडू और स्थिर राज्य प्रवाह वक्र के साथ लाओस से प्राप्त परिणामों की तुलना द्वारा । इन परिणामों को स्पष्ट रूप से पहचान है कि एक दोलन के भीतर अलग rheological राज्यों के बीच बहुलक समाधान संक्रमण, उनके अरैखिक क्षणिक rheological के एक अधिक विस्तृत चित्र उभरने के लिए अनुमति दी । इन आंकड़ों के लिए उत्पाद के गठन, परिवहन, और उपयोग के लिए प्रसंस्करण की स्थिति का अनुकूलन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है । इन समय पर निर्भर प्रतिक्रियाएं आगे स्पष्ट रूप से संरचना के लिए संभावित रास्ते प्रदान करते हैं-संपत्ति प्रसंस्करण संबंधों के साथ रियोलॉजी युग्मन द्वारा सूक्ष्म संरचनात्मक सूचना ंयूटॉन के छोटे कोण बिखरने से प्राप्त, एक्स-रे, या प्रकाश ( बिना, SAXS, और, क्रमशः), माइक्रोस्कोपी, या विस्तृत सिमुलेशन ।
हम कैसे सही ढंग से बड़े आयाम दोलनी कतरनी प्रतिमिति एक वाणिज्यिक रियोमीटर का उपयोग कर परीक्षण करने के लिए प्रदर्शन किया है, और SPP विश्लेषण फ्रीवेयर चलाने के लिए व्याख्या करने के लिए और दो अलग बहुलक समाधा?…
The authors have nothing to disclose.
लेखकों अपने वीआईपी अकादमिक अनुसंधान कार्यक्रम के माध्यम से MCR ७०२ रियोमीटर के उपयोग के लिए एंटोन पारुल धंयवाद । इंस्ट्रूमेंट सेटअप में कमेंट के लिए भी हम डॉ अभिषेक शेट्टी का शुक्रिया अदा करते हैं ।
SPP analysis software | Simon Rogers Group (UIUC) | SPPplus_v1p1 | Attached as supplementary files |
MATLAB | Mathwork | ||
Rheometer | Anton Paar | MCR 702 TwinDrive | |
50mm 2-degree cone | Anton Paar | CP50-2 | Upper measuring system |
50mm plate | Anton Paar | PP50 | Lower measuring system |
Xanthan gum (XG) | Sigma-Aldrich | 11138-66-2 | |
Polyethylene oxide (PEO) | Sigma-Aldrich | 25322-68-3 | Mv=1,000,000 |
Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | 67-68-5 |