Name: Studium der großen Amplitudengang oszillatorische Scherung aus weichen Materialien (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-04-25T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 7 s
Description: Erfahren Sie die nichtlineare oszillatorische Scherrheologie zur Quantifizierung viskoelastischer Eigenschaften weicher Materialien mit SPP-LAOS-Analyse. Diese Methode liefert detaillierte Einblicke in makroskopische und mikroskopische Materialantworten.

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Die Autoren danken Anton Paar für den Einsatz von MCR 702 Rheometer durch ihre VIP-akademische Forschungsprogramm. Wir danken Dr. Abhishek Shetty für die Kommentare in das Instrument-Setup.

(1) Rheometer Setup
<ol><li>Mit dem Rheometer in der SMT-Modus konfiguriert (siehe Anmerkung), befestigen Sie die oberen und unteren Antrieb Geometrien. Um möglichst nahe an eine homogene Scherung Feld wie möglich zu halten, verwenden Sie eine 50 mm-Platte (PP50) als die untere Befestigung und eine 2-Grad-Kegel (CP50-2) für die obere Befestigung. Hinweis: Das Rheometer wir verwenden (siehe die Tabelle der Materialien) kann entweder eine kombinierte Motor-Transducer (CMT) konfiguriert werden oder separate motor Wandler (SMT)-Modus. Mit nur einem einzigen Motor im Rheometer Kopf integriert es wirkt wie eine traditionelle CMT Stress kontrolliert Rheometer und die gewonnenen Daten erfordern Trägheit Korrekturen. Mit zwei Motoren in einem SMT-Modus integriert der obere Motor arbeitet ausschließlich als eine Drehmoment-Wandler und der Motor unten fungiert als Antriebseinheit so konvertieren das Rheometer in eine typische Belastung kontrolliert Rheometer.<ol>
<li>Befestigen Sie die unteren und oberen Geometrien.</li>
		<li>Klicken Sie in der Systemsteuerung auf Null-Abstand .</li>
		<li>Navigieren Sie zu Service-Funktion starten , unter der Registerkarte " Measuring Set " an der Spitze. Führen Sie die Trägheit, die Kalibrierungen für den oberen und unteren Mess-Systeme, in dem Dropdown-Menü gefunden.</li>
		<li>Laufen Sie Anpassungen für die oberen und unteren Motoren.</li>
		<li>Geben Sie die gewünschte Temperatur in der Systemsteuerung. Hinweis: Die Messungen auf welche, die Experimente auf XG und PEO Lösungen durchgeführt werden sind 25 ± 0,1 ° C und 35 ± 0,1 ° C bzw..</li>
	</ol>
</li>
	<li>Laden Sie das Material von Interesse auf der Oberseite der unteren Geometrie mit einem Spachtel oder einer Pipette, sicherzustellen, dass keine Luftblasen in der Probe mitgerissen werden. Hinweis: Ungefähre Mengen an Material benötigt, um vollständig zu füllen, eine Geometrie werden zur Verfügung gestellt in der Rheometrie Software unter Setup | Mess-Systeme.<ol>
<li>Laden Sie 1,14 mL um die Kegel / Platte Geometrie zu füllen. Laden Sie höhere Viskosität Proben mit einem Spatel und weniger zähe Materialien mit einer Pipette. Hinweis: Eine Spachtel wird verwendet, um die Polymerlösungen zu laden.</li>
		<li>Befehl des Mess-Systems auf trim Lücke und sanft schneiden Sie das überschüssige Material am Rande der Geometrie mit einem Platz endete Spatel, sicherzustellen, dass die Spachtel senkrecht zur Achse des dem Rheometer bleibt. Hinweis: Die Qualität der Materialzuführung beeinflussen die rheologischen Ergebnisse erheblich und jede scheinbare unter - oder over - Abfüllungen sollte vermieden werden.</li>
		<li>Drücken Sie die Schaltfläche " weiter " in der Rheometrie Software zur Messung Lückebewegen. Hinweis: Eine vollständige Ladevorgang ist in Abbildung 2dargestellt.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. laufende oszillierende Schertests
Hinweis: Zwei Arten von oszillierenden Schertests ausgeführt werden vorgestellt. Der erste Ansatz ist für sinusförmige Spannungen und Dehnungen nur konzipiert und wurde verwendet, um die Daten zu sammeln, die wir hier berichten. Die zweite Methode ermöglicht beliebige Stress oder Belastung Zeitpläne festgelegt werden.
<ol><li>
Sinusförmige oszillierende Scherung
	<ol>
<li>Navigieren Sie zu Großer Amplitude oszillatorische Scherung-LAOS unter meine apps in der Software. Gehen Sie zu dem Messfeld und klicken Sie auf Belastung variabel.</li>
		<li>Geben Sie den ersten (1 %) und Endwerte (4.000 %) ein Stamm Amplitude fegen. Geben Sie die auferlegte Häufigkeit von 0,316 rad/s. definieren die gewünschten Gesamtzahl der Sorte Amplituden als 16 im Bereich angegebene Amplitude, die Ergebnisse in der Punktdichte von 5 Punkten pro Jahrzehnt.</li>
		<li>Kontrollkästchen Sie das bekommen Wellenform an der Spitze, transiente Antworten zu sammeln.</li>
		<li>Klicken Sie auf die start -Schaltfläche am oberen Rand der Experimente zu starten und die raw-Daten werden in der Rheometrie Software automatisch angezeigt.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Willkürliche Stress oder Belastung Zeitpläne
	<ol>
<li>Um willkürlich definierte Verformung zu verhängen, Wellenform Sinus-Generator klicken Sie unter meine apps in der Software.</li>
		<li>Definieren Sie eine Liste von Dehnungswerte, die entsprechen der Funktion, das (nicht beschränkt auf sinusförmige Wellenform) angewendet werden. Generieren Sie die Werteliste in einem externen Programm.</li>
		<li>Klicken Sie auf Bearbeiten unter der Anstrengung Wert im Messfeld. Kopieren Sie und fügen Sie diese Zahlen in der Werteliste.</li>
		<li>Geben Sie die Anzahl der Datenpunkte, Dauer und Intervall-Zeit um die auferlegten Frequenz anzupassen. Beispielsweise geben Sie die Anzahl der Datenpunkte und die Intervallzeit als 512 Punkte und 6.2832 s, bzw., wenn ein Zyklus von sinusförmigen Belastung an Belastung Werteliste mit 512 Punkten und die Frequenz von 1 rad/s einfügen gewünscht wird. Hinweis: Dieser Ansatz wird nicht empfohlen für die Ausführung von sinusförmigen oszillatorische Scherung aufgrund der begrenzten Anzahl der oszillierenden Zyklen, und auch aufgrund der Tatsache, dass automatische Korrekturen in einer oszillierenden Testmodus auf dem Rheometer ermöglichte dabei deaktiviert sind Modus. Dennoch, da gibt es keine Annahmen der sinusförmigen Belastung in der SPP-Framework integriert, kann eine willkürlich auferlegten Belastungen Funktionen definieren nach den Verarbeitungsbedingungen oder Ende-Verwendung, die die Materialien auftreten können und die SPP Rahmen bleibt anwendbar auf die rheologische Antwort zu analysieren.</li>
		<li>Kontrollkästchen Sie das bekommen Wellenform an der Spitze. Klicken Sie auf die start -Schaltfläche am oberen Rand der Experimente starten.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Analyse SPP (SPP-LAOS-Software)
Hinweis: Die SPP-Analyse-Software ist ein MATLAB-basierten Freeware-Paket für die rheologischen Datenanalyse mit dem SPP-Framework und ist als ergänzende Dateien 1\u2012621befestigt.
<ol><li>Formatieren Sie die Datendateien zu tabulatorgetrennte Text (.txt) bestehend aus vier Spalten in der Reihenfolge der {Zeit (s), Stamm (-), bewerten (1/s), Stress (Pa)}. Hinweis: Benutzer müssen ändern Sie die Anzahl der Header-Zeilen in die Funktion Dateien in der Lage sein, ihre Daten zu verarbeiten. Beispieldateien (ergänzende Dateien 7\u20129) zu sehen.</li>
	<li>Um SPP-LAOS Software auszuführen, öffnen Sie die m-Datei mit dem Namen RunSPPplus_v1.m in MATLAB. Hinweis: Während RunSPPplus_v1.m der Haupt-Skript um die Analyse zu starten ist, das Paket enthält andere Funktion-Dateien, die von der Haupt-Skript, einschließlich SPPplus_read_v1.m, SPPplus_fourier_v1.m, SPPplus_numerical_v1.m, SPPplus_print_v1.m genannt werden und SPPplus_figure_v1.m.</li>
	<li>Navigieren Sie zum Abschnitt mit der Bezeichnung benutzerdefinierte Variablen, und geben Sie die folgenden Variablen.<ol>
<li>Dateiname: Geben Sie den Namen der txt-Datei, die für die SPP-Analyse verwendet werden. Hinweis: Die Datei muss den oben genannten Format-Anforderungen entsprechen.</li>
		<li>Zustand ausführen: Legen Sie den Vektor als [1, 0] Fourier-Analyse-Modus für regelmäßige oszillatorische Scherung Antwort ausgeführt. Hinweis: Die Software beschäftigt zwei verschiedene Methoden zur Berechnung der momentanen SPP Moduli, <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq3.jpg"> und <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq4.jpg"> , basierend auf Fourier-Transformation und numerische Differenzierung. Die Fourier-Transform-Ansatz richtet sich an regelmäßige Eingabe, wie oszillierende Schertests. Willkürliche zeitabhängigen Tests, die unter anderem beschränken sich nicht auf sinusförmige Protokolle, können mit dem numerische Differenzierung Ansatz analysiert werden.</li>
		<li>Laufen Stand: Geben Sie den Vektor als [0, 1] numerische Differenzierung Analysemodus für beliebige zeitabhängige Tests ausführen.</li>
		<li>Omega (Fourier-Analyse): die Kreisfrequenz der Schwingung, mit Einheiten des rad/s angeben.</li>
		<li>M (Fourier-Analyse): Legen Sie Anzahl der höheren harmonischen in der SPP-Analyse einbezogen werden. Passen Sie diese Nummer, um die höheren harmonischen über dem Grundrauschen gehören. Hinweis: Diese Zahl muss eine positive ungerade Zahl und variiert mit der Amplitude und Material. Wir gehören der 3. harmonischen in MAOS Regime und die harmonische 55th bei der größten Amplitude untersucht.</li>
		<li>p (Fourier-Analyse): Geben Sie die Gesamtanzahl der Perioden der Messzeit in den Eingabedaten, die eine positive ganze Zahl sein muss. Hinweis: Die weitere Zeiträume von Daten, die erhoben werden, desto höher die zeitliche Auflösung der SPP-Parameter.</li>
		<li>k (numerische Differenzierung): definieren Sie die Schrittweite für die numerische Differenzierung, die eine positive ganze Zahl sein muss.</li>
		<li>Num_mode (numerische Differenzierung): Num_mode zu "0" (standard Differenzierung) oder "1" (geschlungene Differenzierung) angeben. Hinweis: Es gibt zwei Verfahren, die in die numerische Differenzierung Schema umgesetzt. Die "standard Differenzierung" stellt keine Annahmen über die Form der Daten. Es nutzt etwas nach vorne um die Ableitung für die ersten 2.000 Punkte der Daten, für die letzten 2.000 Punkte etwas nach hinten und mittig etwas an anderer Stelle zu berechnen. "Geloopt Differenzierung" wird davon ausgegangen, dass die Daten unter periodische Steady-State-Bedingungen, und eine ganzzahlige Anzahl von Perioden beinhaltet. Diese Annahmen können einen zentrierten Unterschied zu überall errechnet werden, indem die Enden der Daten durchlaufen.</li>
		<li>Wählen Sie oben auf die Schaltfläche Ausführen , nachdem alle Variablen angegeben werden. Hinweis: Die Software alle SPP-Messwerte mit den Daten zu berechnen, und dann anzeigen Zahlen im Zusammenhang mit der aktuellen Analyse ausführen und Ausgabe einer Textdatei mit den berechneten SPP-Metriken zur weiteren Analyse.</li>
		<li>Iterativ passen Sie die Anzahl der Oberschwingungen in der Analyse vom Ausgang aufgenommen werden Fourier-Spektrum. Gehören Sie alle höheren ungeradzahligen Harmonischen über das Grundrauschen.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. Interpretation von LAOS Antwort
<ol><li>Navigieren Sie zu der Cole-Cole Grundstück von der momentanen SPP Moduli <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq3.jpg"> und <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq4.jpg"> , wird automatisch von der SPP-Software generiert. Hinweis: Eine Kurve in der Cole-Cole-Handlung gilt als die Flugbahn der viskoelastischen Zustand der Materie, und Interpretationen innerhalb einer Schwingung, in Intra-Zyklus Prozessen oder zwischen den aufeinanderfolgenden Perioden in Inter Zyklus Prozesse gebildet werden können.</li>
	<li>Interpretieren Steifigkeit durch die momentane Elastizitätsmodul,<img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq13.jpg">, und eine Zunahme/Abnahme der <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq3.jpg"> , der angibt, Versteifung/Enthärtung. Siehe Abbildung 3.</li>
	<li>Interpretieren des Materials Viskosität basierend auf der momentanen Viskose Modulus <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq4.jpg"> . Eine Zunahme/Abnahme in diesem Parameter stellt Verdickung/Ausdünnen.</li>
	<li>Den Fokus auf ein anderes Cole-Cole-Grundstück der Zeit Ableitungen der Transienten Moduli übertragen <img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq14.jpg"> und <img alt="Equation 15" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq15.jpg"> , die quantitative Informationen über wie viel Resonanz Versteifung ist (<img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq16.jpg">), Erweichung (<img alt="Equation 17" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq17.jpg">), Verdickungs-(<img alt="Equation 18" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq18.jpg">), Durchforstung ((<img alt="Equation 19" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq19.jpg">)). Siehe Abbildung 3. Hinweis: Mit den Werten der Derivate, kann die Rate an die Materialien werden Versteifung/Enthärtung oder Verdickung/Verdünnung quantitativ bestimmt werden.</li>
	<li>Lesen Sie das Zentrum der Flugbahn (gewissermaßen zeitlich gewichtete durchschnittliche) in der Cole-Cole-Handlung des <img alt="Equation 20" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq20.jpg"> als die dynamische Moduli [<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq1.jpg"><img alt="Equation 21" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq21.jpg">]. Hinweis: Die dynamische Moduli sind gemittelte Parameter über einen Zyklus der Verformung und ausreichen, um lokale Informationen unter LAOS.</li>
	<li>Verfolgen Sie die relative Bewegung der Bahn über Amplituden, die Inter Zyklus Physik verstehen. Hinweis: Mit Schwerpunkt auf die Relativbewegung des zeitlich gewichtete durchschnittliche Center entspricht einem traditionellen Sorte Amplitude Wisch mit der dynamischen Moduli. Dennoch kann man leicht die über Amplitude Bewegung der anderen spezifischen Punkten, zum Beispiel die Sorte Extrema analysieren.</li>
	<li>Bestimmen die transiente differenzielle Viskosität <img alt="Equation 22" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq22.jpg"> und auf einer stabilen Schubfluss Kurve zu überlagern. Das Einschwingverhalten LAOS mit Steady-Shear Bedingungen zu vergleichen.</li>
	<li>Bestimmen Sie die Punkte von maximal <img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq12.jpg"> an der großen Amplituden in der Cole-Cole-Handlung des <img alt="Equation 20" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq20.jpg"> . Den Stern mit der Bezeichnung in Abbildung 4 czu sehen.<ol>
<li>Zeichnen Sie die Werte der <img alt="Equation 23" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq23.jpg"> in diesen Augenblicken.</li>
		<li>Zeichnen sie auf der Oberseite der Amplitude Schwung der dynamischen Moduli. Siehe Abbildung 4-d. Hinweis: Achten Sie auf jegliche Korrespondenz zwischen der maximalen transiente Elastizitätsmodul und linearen viskoelastischen <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq1.jpg"> .</li>
	</ol>
</li>
	<li>Suchen Sie die Momente der maximalen <img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq12.jpg"> in den elastischen Lissajous Abbildung und die entsprechenden Dehnungswerte aufzeichnen. Sehen Sie den Stern mit der Bezeichnung in Abbildung 4a.</li>
	<li>Wenn <img alt="Equation 24" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq24.jpg"> , dann bestimmen die Gleichgewicht-Stamm <img alt="Equation 25" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq25.jpg"> und die elastische Dehnung <img alt="Equation 26" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq26.jpg"> . Hinweis. Mit der Verschiebung Stress <img alt="Equation 27" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq27.jpg"> , wenn <img alt="Equation 28" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq28.jpg"> die Gleichgewicht-Belastung ermittelt werden, als <img alt="Equation 29" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq29.jpg"> und die elastische Dehnung kann daher bestimmt werden, wie der Unterschied zwischen Belastung und Gleichgewicht belasten5,13 . Das Erfordernis der <img alt="Equation 24" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq24.jpg"> abgeleitet ist und15an anderer Stelle erläutert.</li>
	<li>Plotten Sie die elastische Dehnung in Abhängigkeit von der auferlegten Dehnungsamplitude. Siehe Abbildung 4e. Wenn die elastische Dehnung unabhängig von der Dehnungsamplitude ist, dann zeigen Sie diese kritische Belastung der Amplitude Sweep wie in Abbildung 4 d.</li>
</ol>

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<li>Poulos, A. S., Stellbrink, J., Petekidis, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flow+of+concentrated+solutions+of+starlike+micelles+under+large-amplitude+oscillatory+shear%5BTitle%5D)+AND+%22Rheologica+Acta%22%5BJournal%5D)">Flow of concentrated solutions of starlike micelles under large-amplitude oscillatory shear.</a> Rheologica Acta. 52 (8-9), 785-800 (2013).</li>
<li>Armstrong, M. J., Beris, A. N., Rogers, S. A., Wagner, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+shear+rheology+of+a+thixotropic+suspension%3A+Comparison+of+an+improved+structure-based+model+with+large+amplitude+oscillatory+shear+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Rheology%22%5BJournal%5D)">Dynamic shear rheology of a thixotropic suspension: Comparison of an improved structure-based model with large amplitude oscillatory shear experiments.</a> Journal of Rheology. 60 (3), 433-450 (2016).</li>
<li>Calabrese, M. A., Wagner, N. J., Rogers, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+optimized+protocol+for+the+analysis+of+time-resolved+elastic+scattering+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">An optimized protocol for the analysis of time-resolved elastic scattering experiments.</a> Soft Matter. 12 (8), 2301-2308 (2016).</li>
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Die Autoren haben nichts preisgeben.

Wir haben bewiesen, wie man richtig große Amplitude oszillatorische Scherung Rheometrie Tests mit kommerziellen Rheometer durchführen und laufen die SPP Analyse Freeware zu interpretieren und zu verstehen die nichtlineare Stressreaktionen von zwei verschiedenen Polymerlösungen. Der SPP-Framework, das zuvor nachweislich mit strukturellen Veränderungen korrelieren und Verständnisse von zahlreichen kolloidalen Systemen zu erleichtern, kann ebenso auf Polymersysteme angewendet werden. Die Antworten der beiden konzentrierten ...

Konzentrierte Polymere Lösungen werden in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen verwendet, in erster Linie um Viskosität, darunter Lebensmittel1 und andere Verbraucher Produkte2, verbesserte Öl Erholung3und Boden Sanierung4zu erhöhen. Bei deren Verarbeitung und Nutzung unterliegen sie unbedingt große Verformungen über eine Reihe von Fristen. Unter solchen Prozessen zeigen sie reiche und komplexe nichtlineare rheologische Verhalten, die abhängig von der Strömung oder Verformung Bedingungen1. Verständnis dieser komplexen nichtlinearen rheologischen Verhalten unbedingt erfolgreich controlling-Prozesse, Entwicklung überlegener Produkte und maximale Energieeffizienz. Abgesehen von der industriellen Bedeutung gibt es viel von akademischem Interesse die rheologischen Verhalten von Polymeren Materialien weit von Gleichgewicht zu verstehen.
Oszillierende Schertests sind fester Bestandteil jedes gründliche rheologische Charakterisierung aufgrund der orthogonalen Anwendung von Strain und Strain Rate5, und die Fähigkeit, die Länge und Zeit unabhängig voneinander steuern Skalen von tuning sondierten die Amplitude und Frequenz. Die Stress-Reaktion auf kleiner Amplitude oszillatorische Scherung Stämme, die klein genug, nicht um die interne Struktur des Materials zu stören, kann in Phase mit dem Stamm und in Phase mit Verformungsgeschwindigkeit in Komponenten zerlegt werden. Die Koeffizienten der Komponenten in Phase mit der Belastung und der Dehngeschwindigkeit werden gemeinsam bezeichnet als die dynamische Moduli6,7, und individuell wie der Speicher-Modul, <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq1.jpg"> , und Verlust e-Modul, <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq2.jpg"> . Die dynamische Moduli führen, um elastische und Viskose Interpretationen zu löschen. Basierend auf diesen dynamischen Moduli Interpretationen gelten jedoch nur für kleine Belastung Amplituden, wo auch die Stressreaktionen, sinusförmige Erregungen sinusförmige sind. Dieses Regime wird im Allgemeinen als kleiner Amplitude oszillatorische Scherung (SAOS) oder dem linearen viskoelastischen Regime bezeichnet. Wenn die aufgezwungene Verformung größer wird, werden Änderungen in der materiellen Mikrostruktur induziert die spiegeln sich in der Komplexität des nicht-sinusförmige transiente Spannung Antworten8. In diesem rheologisch nichtlineare Regime, die industrielle Verarbeitung und Verbraucher Einsatzbedingungen genauer imitiert, fungieren die dynamische Moduli als schlechte Beschreibungen der Antwort. Eine weitere Möglichkeit zu verstehen, wie konzentrierte weiche Materialien von Verhalten Gleichgewicht ist daher erforderlich.
Eine Reihe von aktuellen Studien9,10,11,12,13,14,15,16 haben gezeigt, dass Materialien durchlaufen Diverse Intra-Zyklus strukturellen und dynamischen Veränderungen hervorgerufen durch größere Verformungen in die mittlere Amplitude oszillatorische Scherung (MAOS)15,17 und großer Amplitude oszillatorische Scherung (LAOS) Regime. Die Intra-Zyklus strukturellen und dynamischen Veränderungen haben verschiedene Erscheinungsformen, wie z. B. Bruch der Mikrostruktur, strukturelle Anisotropie, lokale Umlagerungen, Reformation und Änderungen im Diffusivität. Diese Intra-Zyklus körperlichen Veränderungen in der nicht-linearen Regime führen zu komplexen nichtlinearen Stressreaktionen, die einfach nicht mit der dynamischen Moduli interpretiert werden können. Als Alternative wurden verschiedene Ansätze für die Interpretation der nichtlinearen Stressreaktionen vorgeschlagen. Gängige Beispiele hierfür sind Fourier Transform Rheologie (FT-Rheologie)18, Potenzreihen Erweiterungen11, Chebyshev Beschreibung19und die Reihenfolge der physikalischen Prozesse (SPP)5,8, 13,14,20 Analyse. Obwohl alle diese Techniken gezeigt haben, mathematisch robust sein, ist es immer noch eine unbeantwortete Frage, ob diese Techniken klare und vernünftige physikalischen Erklärungen zur nichtlinearen oszillierende Stressreaktionen weitergeben können. Es bleibt eine hervorragende Herausforderung für prägnante Interpretationen von rheologischen Daten bereitstellen, die auf strukturelle und dynamische Maßnahmen zu korrelieren.
In einer aktuellen Studie wurde die nichtlineare Stressantwort weichen glasig Rheologie (SGR) Modell8 und einem weichen Glas kolloidales Sternpolymere7unter oszillatorische Scherung aus über das SPP-Schema analysiert. Zeitliche Veränderungen in den elastischen und viskosen Eigenschaften innewohnt, nicht-lineare Stressreaktionen wurden separat quantifiziert durch die SPP Moduli, <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq3.jpg"> und <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq4.jpg"> . Außerdem korrelierte der rheologische Übergang, vertreten durch die vorübergehende Moduli genau mikrostrukturellen Veränderungen, die durch die Verteilung der mesoskopischen Elemente dargestellt. In der Studie der SGR Modell8wurde deutlich, dass die rheologischen Auslegung über das SPP-Schema entspricht genau die körperlichen Veränderungen unter allen Bedingungen der oszillatorische Scherung in der linearen und nichtlinearen Systemen für weiche Gläser. Diese einzigartige Fähigkeit, genaue physikalische Interpretation der nichtlinearen Antworten von weichen Gläsern bieten macht die SPP-Methode einen attraktiveren Ansatz für Forscher heraus-von-Gleichgewicht Dynamik der Polymertechnik und anderen weichen Materialien.
Das SPP-Programm baut auf Anzeigen rheologische Verhalten wie Sie in einem dreidimensionalen Raum (<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq5.jpg">), die besteht aus dem Stamm (<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq6.jpg">), Verformungsgeschwindigkeit (<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq7.jpg">), und Stress (<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq8.jpg">)5. Im mathematischen Sinn, die Stressreaktionen multivariable Funktionen der Belastung und der Umformgeschwindigkeit gleichgestellt sind (<img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq9.jpg">). Da das rheologische Verhalten als Leitkurve in gilt <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq5.jpg"> (oder eine multivariable Funktion), ein Werkzeug für die Diskussion über die Eigenschaften einer Flugbahn ist erforderlich. In der SPP-Ansatz, die transiente Moduli <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq3.jpg"> und <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq4.jpg"> eine Rolle. Der vorübergehende Elastizitätsmodul <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq3.jpg"> und Viskose Modulus <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq4.jpg"> sind definiert als partielle Ableitungen von Stress in Bezug auf die Belastung (<img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq10.jpg">) und der Dehngeschwindigkeit (<img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq11.jpg">). Im Anschluss an die physikalische Definition der differentielle elastische und Viskose Moduli quantifizieren die transiente Moduli den momentanen Einfluss der Strain und Strain Rate auf die Stress-Reaktion bzw., während andere Analysemethoden zur Verfügung zu stellen kann nicht Informationen über elastische und viskose Eigenschaften getrennt.
Der SPP-Ansatz bereichert die Interpretation der oszillierenden Schertests. Mit der SPP-Analyse können die komplexe nichtlinearen rheologischen Verhalten der konzentrierten Polymeren Lösungen in LAOS direkt mit der linearen rheologischen Verhalten in SAOS zusammenhängen. Wir zeigen in diesem Werk wie der maximale transiente Elastizitätsmodul (<img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq12.jpg">max) in der Nähe der Belastung entspricht Extrema der Speicher-Modul in der linearen Regime (SAOS). Darüber hinaus zeigen wir wie der Transienten Viskose Modulus (<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq4.jpg">) während einer LAOS Zyklus Spuren der Steady-State-Fließkurven. Zusätzlich zu die Details die komplexe Abfolge von Prozessen, die Polymerlösungen konzentriert unter LAOS, durchlaufen informiert des SPP-Schemas auch hinsichtlich der erzielbaren Belastung des Materials. Diese Informationen, die nicht durch andere Ansätze erhältlich ist, ist ein nützliches Maß für wieviel Material zurückschrecken wird, sobald Belastung entfernt wird. Ein solches Verhalten wirkt sich auf die Bedruckbarkeit von konzentrierten Lösungen für 3D Anwendungen für den Druck, sowie Siebdruck, Faser-Bildung und Fluss-Einstellung. Eine Reihe neuerer Studien,5,8,13 zeigen deutlich, dass die erzielbare Belastung nicht unbedingt identisch mit der Sorte während LAOS Experimente auferlegt. Zum Beispiel fand eine Studie weichen kolloidale Gläser nach LAOS13 , dass die erzielbare Belastung nur 5 % wenn deutlich größere Summe belasten (420 %) wird verhängt. Schließen Sie andere Studien16,21,22,23,24 mit dem Käfig Modul21 auch folgern, dass lineare Elastizität unter LAOS zum Zeitpunkt beobachtet werden können zu der Sorte Maxima, was bedeutet, dass die Materialien relativ kleine Verformung bei diesen Augenblicken erlebt. Das SPP-Schema ist der einzige Rahmen für Verständnis LAOS, dass Konten für eine Wende in der Stamm-Gleichgewicht, das führt zu einer Differenz zwischen dem erzielbaren und die gesamten Belastungen.
Dieser Artikel soll Verständnis und Benutzerfreundlichkeit der SPP-Analyse-Methode zu erleichtern, indem Sie ein detailliertes Protokoll für LAOS Analyse Freeware, mit zwei konzentrierten Polymerlösungen, eine 4 wt % Xanthan Gum (XG) wässrige Lösung und eine 5 Gew.-% PEO in DMSO-Lösung. Diese Systeme sind aufgrund ihrer breiten Anwendung und interessante rheologisch Eigenschaften ausgewählt. Xanthan Gum, einer natürlichen hohen Molekulargewicht Polysaccharid ist eine außergewöhnlich effektive Stabilisator für wässrige Systeme und häufig angewendet als Lebensmittelzusatzstoff zu gewünschten Viscosification oder in Öl-Bohr-zur Erhöhung der Viskosität und Ausbeute Punkte Bohren von Muds. PEO verfügt über eine einzigartige hydrophile Eigenschaft und wird häufig in pharmazeutischen Produkten sowie kontrollierte Freisetzung Systeme und Boden Sanierung Aktivitäten verwendet. Diese Polymere Systeme werden unter verschiedenen oszillatorische Scherung Bedingungen getestet, die dazu bestimmt sind, Verarbeitung, Transport und Endverwendung Bedingungen anzugleichen. Obwohl diese Praxisbedingungen nicht unbedingt Flow Umkehr wie oszillatorische Scherung verbunden sein können, das Strömungsfeld kann leicht angenähert und abgestimmt mit der unabhängigen Kontrolle der angewandten Amplitude und Frequenz in einem oszillierenden Test auferlegt. Darüber hinaus kann das SPP-Schema verwendet werden wie hier beschrieben um zu verstehen, den unterschiedlichsten Bewegungsarten, einschließlich derjenigen, die keine Strömung Auflösungen wie der vor kurzem vorgeschlagen UD-LAOS25, in der große Amplitude Schwingungen in einem angewendet werden Richtung nur (was auf den Moniker "Uni-direktionale LAOS"). Der Einfachheit halber und zur Veranschaulichung beschränken wir die aktuelle Studie auf traditionelle LAOS, die periodische Flow Umkehr einschließt. Die gemessenen rheologischen Antworten werden mit dem SPP-Ansatz analysiert. Wir zeigen, wie mithilfe die SPP-Software mit einfachen Erklärungen zur wichtigsten Berechnungsschritte um Leser Verständnis und Gebrauch zu verbessern. Eine Legende für die Interpretation der Ergebnisse der SPP-Analyse wird eingeführt, nach denen die Art der rheologischen Übergang identifiziert wird. Vertreter SPP Analyseergebnisse der beiden Polymere unter verschiedenen Bedingungen oszillatorische Scherung werden angezeigt, in denen identifizieren wir eindeutig einer Reihe von physikalischen Prozessen, die Informationen über das Material linearen viskoelastischen Antwort enthält sowie das stationäre Fließverhalten des Materials.
Dieses Protokoll sieht hervorstechenden Details zur nichtlinearen rheologischen Experimente, sowie eine Schritt für Schritt genau durchzuführen führen zu analysieren und zu verstehen rheologische Antworten mit dem SPP-Rahmen, wie in Abbildung 1dargestellt. Wir beginnen mit bietet eine Einführung in die Inbetriebnahme und Kalibrierungen, gefolgt von spezifischen Befehle für die Herstellung einer handelsüblichen Rheometer qualitativ hochwertige flüchtige Daten sammeln. Sobald die rheologischen Daten erhalten haben, stellen wir die SPP Analyse Freeware, mit einer detaillierten Anleitung. Darüber hinaus besprechen wir wie die zeitabhängige Antwort der beiden konzentrierte Polymerlösungen innerhalb des SPP-Systems zu verstehen, durch den Vergleich der Ergebnisse aus LAOS mit der linearen Regime Frequenz-Sweep und stationären Fließkurven. Diese Ergebnisse erkennen deutlich, dass die Polymerlösungen zwischen verschiedene rheologische Zustände innerhalb einer Schwingung Übergang, ermöglicht ein genaueres Bild von ihrer nichtlinear transiente Rheologie entstehen. Diese Daten können verwendet werden, um die Verarbeitungsbedingungen für die Produktbildung, Transport, optimieren und nutzen. Diese zeitabhängigen Antworten weiter geben mögliche Wege zur deutlich Form Struktur-Eigenschaft-Verarbeitung Beziehungen durch die Kopplung der Rheologie mit mikrostrukturelle Informationen aus kleinen Winkel Streuung von Neutronen, Röntgenstrahlen oder Licht ( SANS, SAXS und SALS, beziehungsweise), Mikroskopie oder detaillierte Simulationen.

<table><tbody><tr><td>SPP-Analysesoftware</td><td>Simon Rogers Group (UIUC)</td><td>SPPplus_v1p1</td><td>Als ergänzende Dateien angehängt</td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>Mathwork</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Rheometer</td><td>Anton Paar</td><td>MCR 702 TwinDrive</td><td></td></tr><tr><td>50mm 2-Grad-Konus</td><td>Anton Paar</td><td>CP50-2</td><td>Oberes Messsystem</td></tr><tr><td>50mm Platte</td><td>Anton Paar</td><td>PP50</td><td>Unteres Messsystem</td></tr><tr><td>Xanthangummi (XG)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>11138-66-2</td><td></td></tr><tr><td>Polyethylenoxid (PEO)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>25322-68-3</td><td>Mv=1.000.000</td></tr><tr><td>Dimethylsulfoxid (DMSO)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>67-68-5</td><td></td></tr></tbody></table>

studium der großen amplitudengang oszillatorische scherung aus weichen materialien

Studying Large Amplitude Oscillatory Shear Response of Soft Materials

Wir untersuchen die Abfolge der physikalischen Prozesse, die während großer Amplitude oszillatorische Scherung (LAOS) von Polyethylen-Oxid (PEO) Dimethyl Sulfoxid (DMSO) und Xanthan Gum in Wasser ausgestellt – zwei konzentriert Polymerlösungen verwendet als Viscosifiers in Lebensmitteln, verbesserte Ölgewinnung und Bodensanierung. Verständnis des nichtlinearen rheologischen Verhaltens aus weichen Materialien ist wichtig bei der Gestaltung und Herstellung von vielen Consumer-Produkte kontrolliert. Es wird gezeigt, wie die Reaktion auf LAOS dieser Polymer-Lösungen in Bezug auf einen deutlichen Übergang von linearen Viskoelastizität und zähelastisch Verformung wieder während einer Periode interpretiert werden kann. LAOS entstehen analysierten über die voll quantitative Sequenz physikalischer Prozesse (SPP)-Technik, mit freier MATLAB-basierte Software. Ein detailliertes Protokoll der Durchführung einer Messung von LAOS mit einem kommerziellen Rheometer präsentiert Analyse nichtlinearer Stressreaktionen mit der Freeware, und Interpretation physikalischer Prozesse unter LAOS. Es wird weiter gezeigt, dass im Rahmen des SPP LAOS Antwort Informationen zu den linearen Viskoelastizität, transiente Fließkurven und die kritische Belastung verantwortlich für das Auftreten von Nichtlinearität enthält.

Repräsentative Ergebnisse der SPP-Analyse von XG und PEO/DMSO-Lösungen unter oszillierende Schertests sind in den Abbildungen 4 und 5dargestellt. Zuerst stellen wir die Rohdaten als elastisch (<img alt="Equation 30" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq30.jpg">) und zähflüssig (<img alt="Equation 31" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq31.jpg">) Lissajous-Bowditch Kurven in den Abbildungen 4a, 4 b, 5a und ...

Wir präsentieren Ihnen ein detailliertes Protokoll skizziert wie nichtlineare oszillatorische Scherung Rheologie auf weichen Materialien durchgeführt und wie die SPP-LAOS-Analyse, um die Antworten zu verstehen, als eine Abfolge von physikalischen Prozesse ausgeführt.

Studium der großen Amplitudengang oszillatorische Scherung aus weichen Materialien

We investigate the sequence of physical processes exhibited during large amplitude oscillatory shearing (LAOS) of polyethylene oxide (PEO) in dimethyl ...

Diese Methode kann helfen, wichtige Fragen auf dem Gebiet der weichen Materie zu beantworten, wie die Korrelation zwischen makroskopischen und mikroskopischen Reaktionen. Der Hauptvorteil der Methode ist, dass sie die viskoelastischen Eigenschaften von Materialien während eines rheologischen Experiments im Gegensatz zu den traditionellen Methoden, die durchschnittliche Informationen liefern, quantifizieren kann. Obwohl diese Methode Einblicke in polymere Materialien geben kann, kann sie auch auf andere Systeme wie kolloidale Gele und Gläser und biologische Materialien angewendet werden.Arbeiten Sie mit einem Rheometer, das Fleckenkontrollmessungen durchführen kann. Befestigen Sie zunächst die oberen und unteren Antriebsgeometrien. Verwenden Sie für die untere Halterung eine 50 mm Platte.Verwenden Sie einen Zwei-Grad-Kegel für die obere Leuchte. Als nächstes null den Spalt, kalibrieren Sie die Messungen, und stellen Sie die Temperatur ein. Sobald diese Schritte abgeschlossen sind, öffnen Sie die Lücke in den Geometrien von Null, damit das Ladematerial getestet werden kann.Fahren Sie fort, um das Material für die Prüfung zu erhalten. In diesem Fall ist es Polyethylenoxid in DMSO, mit rotem Farbstoff zur Demonstration. Mit einem Spachtel das Material auf die Oberseite der unteren Geometrie laden.Stellen Sie sicher, dass keine Luftblasen in der Probe im Rheometer eingeschlossen sind. Arbeiten Sie mit den Messsystemen, die auf Abstandsstzierung eingestellt sind. Verwenden Sie einen quadratischen Spachtel am Ende der Geometrie, um überschüssiges Material sanft zu trimmen.Kehren Sie zur Messlücke zurück, bevor Sie fortfahren. Führen Sie den sinusförmigen Oszillator-Schertest mit Software aus. Navigieren Sie zu Meine Apps.Finden und öffnen Sie große Amplituden-Oszillatorscher. Gehen Sie dann zum Messfeld. Klicken Sie dort auf die Dehnungsvariable.Geben Sie den Anfangs- und Endwert für einen Dehnungsamplituden-Sweep ein. 1 bzw. 4000 Prozent. Geben Sie die vorgeschriebene Frequenz an.Legen Sie außerdem die Gesamtzahl der Dehnungsamplituden im gewählten Bereich auf 16 fest. Aktivieren Sie das Kontrollkästchen Wellenform abrufen, um vorübergehende Antworten zu sammeln. Klicken Sie auf die Schaltfläche Start, um die Experimente zu starten.Die Daten werden im Laufe des etwa fünfminütigen Durchlaufs angezeigt. Das Rheometer kann auch für beliebig definierte Verformungen verwendet werden. Erstellen Sie in einer externen Datei eine Liste von Dehnungswerten, um die anzuwendende Funktion zu definieren.Rufen Sie die Rheometry-Software auf und klicken Sie auf Meine Apps. Und klicken Sie auf den Wellenform-Zeichen-Generator. Klicken Sie im Messfeld auf Dehnung.Klicken Sie von dort aus auf Bearbeiten. Fügen Sie in der Werteliste die vordefinierten Dehnungswerte aus der externen Datei ein. Geben Sie die Anzahl der eingegebenen Punkte, die Punktdauer und die Zeit zum Anpassen der auferlegten Frequenz an.Wenn Sie fertig sind, aktivieren Sie das Kästchen "Wellenform abrufen" oben. Klicken Sie dann auf die Schaltfläche Start, um mit dem Experiment zu beginnen. Messdaten werden während des Experiments auf dem Monitor angezeigt.Diese Daten sind für eine Xanthan Gum Lösung unter oszillatonen Schertests. Diese nichtlinearen Spannungsdehnungskurven zeigen an, dass eine Sequenz physikalischer Prozesse innerhalb des Materials stattfindet. Die Reihenfolge der physikalischen Prozesse und analysesoftware bestimmt die transienten Moduli, die die elastischen und viskosen Eigenschaften von Materialien signalisiert.Ihre Evolution zeigt das Verhalten unter großer Amplituden-Oszillatorschernscher. Hier ist die maximale Elastizität nahezu konstant über Amplituden hinweg. Eine Darstellung dieser maximalen Elastizität, die bei der großen Amplituden-Oszillation beobachtet wird, und die dynamischen Module im gesamten Amplitudenbereich zeigen eine klare Übereinstimmung mit dem linearen Regimespeichermodul.Die elastische Dehnung, die durch die Abfolge der physikalischen Prozesssoftware bei maximaler Elastizität bestimmt wird, beträgt etwa 16 Prozent, selbst wenn die angewendete Dehnung bis zu 4000 Prozent beträgt. Hier ist eine Abfolge von physikalischen Prozessen, die von der Xanthan Gum Lösung durchlaufen werden. Im Viskoplastischen Regime zeigt die Analyse null Elastizität an.Wenn die Scherrate abnimmt, versteift sich die Lösung, was darauf hindeutet, dass ihre Struktur reformiert wird. Sobald eine ausreichende Dehnung erworben ist, erfolgt ein schneller Übergang von elastischem zu zähflüssigem Verhalten. Nach dem Nachgeben kehrt die Antwort zum Viskoplastischen Verformungsregime zurück und die Sequenzen treten in die entgegengesetzte Richtung auf.Nach ihrer Entwicklung ebnet diese Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet der Weichstoffrheologie, um transiente Struktureigenschaftenverarbeitungsbeziehungen weiter zu erforschen.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Engineering

Ingenieurwesen

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