Studere store Amplitude oscillasjon skjær responsen av myke materialer

Summary

Vi presenterer en detaljert protokoll beskriver hvordan du utfører lineær oscillasjon skjær Reologi på myke materialer, og hvordan du kjører SPP-LAOS analyser for å forstå reaksjonene som en sekvens av fysiske prosesser.

Abstract

Vi undersøker en rekke fysiske prosesser utstilt i store amplituden oscillasjon skråstilling (LAOS) av polyetylen oksid (PEO) i dimethyl sulfoxide (DMSO) og Echalion i vann-to konsentrert polymer løsninger som viscosifiers i mat, økt oljeutvinning og jord Utbedring. Forstå lineære reologiske virkemåten til myke materialer er viktig i utformingen og kontrollert produksjon av mange forbrukerprodukter. Det vises hvordan responsen til LAOS av følgende polymer kan tolkes i en klar overgang fra lineær viscoelasticity viscoplastic deformasjon og tilbake igjen i en periode. LAOS resultatene er analysert via fullt kvantitative sekvens av fysiske prosesser (SPP) teknikken, benytter ledig MATLAB-basert programvare. Detaljert protokollen utfører en LAOS måling med en kommersiell rheometer, analysere lineære stressresponser med freeware, og tolke fysiske prosesser under LAOS presenteres. Det er videre vist at innenfor SPP rammen, LAOS svar inneholder informasjon om den lineære viscoelasticity, forbigående flyt kurvene og kritisk belastningen ansvarlig for utbruddet av nonlinearity.

Introduction

Konsentrert polymere løsninger brukes i en rekke industriapplikasjoner primært for å øke viskositet, inkludert mat¹ og andre forbrukeren produktene², økt utvinning³og jord Utbedring⁴. Under deres behandling og bruk utsettes de nødvendigvis for store deformasjoner over en rekke tidsrammer. Under slike prosesser viser de rik og kompleks lineære reologiske atferd som er avhengige av flyt eller deformasjon forhold¹. Forstå disse komplekse lineære reologiske atferd er avgjørende for vellykket kontroll prosesser, designe bedre produkter og maksimere energieffektiviteten. Bortsett fra den industrielle betydningen er det en stor mengde akademisk interesse forståelse reologiske oppførsel av polymere materialer langt fra likevekt.

Oscillasjon skjær testene er en stift komponent i hver grundig reologiske karakterisering på grunn av ortogonale anvendelse av belastning og belastning rate⁵og uavhengig kontrollere lengden og tid skalerer probed ved å justere de amplitude og frekvens. Stressrespons til små amplituden oscillasjon skjær stammer, som er små nok ikke å forstyrre et materiale intern struktur, kan deles opp i komponenter i fase med belastningen og i fasen med belastning rate. Koeffisientene av fase med belastning og belastning hastigheten er kollektivt referert til som den dynamiske moduli^6,7, og individuelt lagring modulus, , og tap modulus, . De dynamiske moduli føre til fjern elastisk og tyktflytende tolkninger. Men er tolkninger basert på disse dynamiske moduli bare gyldig for liten belastning amplituder, hvor stressresponser til sinusformet excitations er også sinusformet. Dette regimet omtales vanligvis som små amplituden oscillasjon skjær (SAOS) eller lineær viskoelastiske regimet. Som pålagt deformasjon blir større, er endringer indusert i den materielle mikrostrukturen, som gjenspeiles i kompleksiteten i den ikke-sinusformet forbigående stress svar⁸. I denne rheologically ikke-lineære regimet, som nærmere etterligner industriell behandling og forbruker bruksforhold, handle de dynamiske moduli som dårlig beskrivelser av svaret. En annen måte å forstå hvordan konsentrert myke materialer oppfører seg ut av likevekt er derfor nødvendig.

En rekke nyere studier^{9,10,11,12,13,14,15,16} har vist at materialer passere mangfoldig intra-syklus strukturelle og dynamiske endringer vakte av større deformasjoner i middels amplituden oscillasjon skjær (MAOS)^15,17 og store amplituden oscillasjon skjær (LAOS) regimer. Intra-syklus strukturelle og dynamiske endringer har forskjellige manifestasjoner, for eksempel brudd på mikrostruktur, strukturelle anisotropy, lokale rearrangements, reformasjonen og endringer i diffusivity. Disse intra-syklus fysiske endringer i ikke-lineære regimet føre til komplekse lineære stress svarene som bare ikke kan tolkes med de dynamiske moduli. Som et alternativ, har flere tilnærminger blitt foreslått for tolkningen av lineære stressresponser. Vanlige eksempler på dette er Fourier transform Reologi (FT Reologi)¹⁸, geometrisk rekke utvidelser¹¹, Chebyshev beskrivelse¹⁹og en rekke fysiske prosesser (SPP)^{5,8, 13,14,20} analyse. Selv om alle disse teknikkene har vist seg å være matematisk robust, er det fremdeles en ubesvart spørsmål om disse teknikkene kan gi klar og fornuftig fysiske forklaringer av lineære oscillasjon stressresponser. Det gjenstår en enestående utfordring til gi konsis tolkninger av reologiske data som relateres til strukturelle og dynamiske.

I en fersk studie, ble lineære stressrespons av myke glassaktig Reologi (SGR) modell⁸ og en myk glass laget av kolloidalt star polymerer⁷under oscillasjon skjær analysert gjennom SPP ordningen. Tidsmessige endringer i elastisk og tyktflytende egenskapene i ikke-lineære stressresponser separat kvantifisert av SPP-moduli og . Videre var reologiske overgangen representert ved forbigående moduli nøyaktig korrelert til microstructural endringer representert ved distribusjon av Mesoskopisk elementer. I studien av SGR modell⁸, ble det klart vist at reologiske tolkning via SPP ordningen gjenspeiler de fysiske endringene under alle oscillasjon skjær forhold i de lineære og ikke-lineære regimene for myk briller. Denne unike evnen til å gi nøyaktig fysiske tolkning av lineære svar myk briller gjør metoden SPP attraktive tilnærming for forskere studere ut-av-balanse dynamikken i polymer løsninger og andre myke materialer.

SPP ordningen er bygget rundt viser reologiske atferd som forekommer i et tredimensjonalt rom () som består av belastningen (), belastning rate (), og stress ()⁵. I matematisk forstand, stressresponser behandles som multivariabel funksjoner av belastning og belastning rate (). Som reologiske atferden er ansett som en bane i (eller en multivariabel funksjon), et verktøy for å diskutere egenskaper for en bane er nødvendig. I SPP tilnærming, forbigående moduli og spille en slik rolle. Forbigående elastisk modulus og tyktflytende modulus defineres som partiellderiverte av stress forhold til belastningen () og belastning (). Etter den fysiske definisjonen av differensial elastiske og flytende moduli kvantifisere forbigående moduli umiddelbar påvirkning av belastning og belastning rate på stressrespons, mens andre metoder for analyse ikke kan gi noen informasjon om elastisk og tyktflytende separat.

SPP tilnærming beriker tolkningen av oscillasjon skjær testene. Med SPP analyse, kan komplekse lineære reologiske oppførsel av konsentrert polymere løsninger i LAOS være direkte relatert til de lineære reologiske atferd i SAOS. Vi viser i dette arbeidet hvordan maksimal forbigående elastisk modulus (_max) nær belastningen extrema tilsvarer lagring modulus i lineær regimet (SAOS). Videre viser vi hvordan forbigående tyktflytende modulus () under en LAOS syklusen spor steady state flyt kurven. I tillegg til å gi detaljer om komplekse sekvensen av prosesser som konsentrert polymer løsninger gå gjennom under LAOS, gir SPP ordningen også informasjon om Gjenopprettbare belastningen i materialet. Denne informasjonen, som ikke er oppnåelig gjennom andre tilnærminger, er et nyttig mål på hvor mye materiale vil rekyl når stress er fjernet. Slik oppførsel har innvirkning på om utskrift er mulig av konsentrert løsninger for 3D utskrift applikasjoner, samt skjermen utskrift, fiber dannelse og flyt opphør. En rekke nyere studier^5,8,13 tydelig viser at det utvinnbare belastningen ikke er nødvendigvis det samme som belastningen pålagt under LAOS eksperimenter. For eksempel, fant en studie av myke kolloidalt briller under LAOS¹³ at utvinnbare belastningen er bare 5% når betydelig større summen belastning (420%) er pålagt. Andre studier^{16,21,22,23,24} bruker bur modulus²¹ også konkludere med at lineær elastisitet kan observeres under LAOS på punktet lukke å belastning maxima, antyde at materialene opplevd relativt liten deformasjon på disse øyeblikkene. SPP ordningen er det eneste rammeverket for forståelse LAOS at regnskapet for et skifte i belastning likevekt som fører til forskjell utvinnbare og den totale stammer.

Denne artikkelen tar sikte å lette forståelser og brukervennlighet av SPP analyse metoden ved å gi en detaljert protokoll for en LAOS analyse freeware, to konsentrert polymer løsninger, en 4 wt % Echalion (XG) vandig løsning og en 5 wt % PEO i DMSO løsning. Disse systemene er valgt på grunn av deres bredt spekter av programmet og rheologically interessante egenskaper. Echalion, en naturlig høy-molekylvekt polysakkarid, er en svært effektiv stabilisator for vandige systemer og brukt som et tilsetningsstoff å gi ønsket viscosification eller oljeboring å øke viskositet og gi rundt boring slam. PEO har en unik egenskap for hydrofile og er ofte brukt i farmasøytiske produkter og kontrollerte slipp systemer samt jord Utbedring aktiviteter. Disse polymere systemer er testet under ulike oscillasjon skjær forhold som er ment å omtrentlige behandling, transport og sluttbruk betingelser. Selv om disse praktiske forhold ikke kan nødvendigvis involverer flyt tilbakeføring som oscillasjon skjær, feltet flyt kan tilnærmes lett og innstilt med uavhengig kontroll av anvendt amplitude og pålagt frekvens i en oscillasjon test. Videre kan SPP ordningen brukes idet beskrevet her over å forstå en rekke flyt typer, inkludert de som ikke inkluderer flyt tilbakeføringer som nylig foreslått UD-LAOS²⁵, der store amplituden svingninger brukes i en retning (fører til kallenavnet “enveis LAOS”). For enkelhet, og veiledende begrenser vi denne studien til tradisjonelle LAOS, som inkluderer periodisk flyt tilbakeføring. Målt reologiske svarene analyseres med SPP tilnærming. Viser vi hvordan du bruker SPP programvaren med enkle forklaringer på fremtredende beregning skritt for å forbedre leserens forståelse og behandling. En legende for å tolke analyseresultatene SPP er innført, etter som typen reologiske overgang er identifisert. Representant SPP analyseresultatene av de to polymerer under ulike oscillasjon skjær forhold vises, som vi identifisere en rekke fysiske prosesser som inneholder informasjon om materialets lineær viskoelastiske svar samt egenskapene stabil flyt av materialet.

Denne protokollen gir fremtredende detaljer om hvordan du nøyaktig utføre ikke-lineære reologiske eksperimenter, samt en trinnvis guide til å analysere og forstå reologiske svar med SPP rammen, som vist i figur 1. Vi begynner ved å gi en innføring i instrumentet oppsett og kalibreringer, etterfulgt av bestemte kommandoer for å gjøre en kommersielt tilgjengelig rheometer samle høykvalitets transientresponsen dataene. Når reologiske dataene har oppnådd, introdusere vi SPP analyse freeware, med en detaljert manual. Videre er diskutere vi hvordan forstå tidsavhengige svaret to konsentrert polymer løsninger innen SPP ordningen, ved å sammenligne resultatene fra LAOS med lineære-regimet frekvens feie og stabil flyt kurven. Disse resultatene klart identifisere at polymer løsningene overgang mellom forskjellige reologiske innen oscillerende, slik at for et mer detaljert bilde av deres ikke-lineære forbigående Reologi å dukke. Disse dataene kan brukes til å optimalisere filmfremkalling vilkår for produkt-formasjonen, transport, og bruk. Disse tidsavhengige svar ytterligere gi potensielle veier tydelig skjemaet struktur-egenskapen-prosessering relasjoner ved å koble Reologi microstructural informasjon fra liten vinkel spredning av nøytroner, røntgenstråler eller lys ( SANS, SAXS og SALS, henholdsvis), mikroskopi, eller detaljerte simuleringer.

Protocol

1. rheometer installasjon Med rheometer som er konfigurert i SMT-modus (se merknad), knytte øvre og nedre stasjon geometrier. For å opprettholde så nær en homogen skjær feltet som mulig, kan du bruke en 50 mm plate (PP50) som lavere kampen, og en 2-graders kjegle (CP50-2) for øvre lampen.Merk: Rheometer vi bruker (se Tabell for materiale) kan konfigureres i begge en kombinert motor-svinger (CMT) eller egen motor svinger (SMT) modus. Med bare en enkelt motor integrert i rheometer hodet…

Representative Results

Representant resultatene av SPP analyse fra XG og PEO/DMSO løsninger under oscillasjon skjær tester presenteres i tallene 4 og 5. Vi først presentere rådataene som elastisk () og tyktflytende () Lissajous-Bowditch kurver i tallene 4a, 4b, 5a og 5b. Å f…

Discussion

Vi har vist hvordan riktig utføre store amplituden oscillasjon skjær rheometry tester med en kommersiell rheometer, og kjøre SPP analyse freeware å tolke og forstå lineære stressresponser to distinkte polymer løsninger. SPP strukturen, som har tidligere vist seg å korrelere med strukturelle endringer og tilrettelegge forståelser av mange kolloidalt systemer, kan like brukes til polymer systemer. Svarene på to konsentrert polymere løsninger til LAOS har vært undersøkt ved hjelp av SPP ordningen, som det reolo…

Materials

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