Name: Badanie oscylacyjnej odpowiedzi ścinania materiałów miękkich o dużej amplitudzie (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-04-25T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 7 s
Description: Poznaj nieliniową reometrię oscylacyjną do badania właściwości lepkosprężystych materiałów miękkich. Metoda SPP-LAOS pozwala szczegółowo analizować odpowiedzi materiałów w czasie rzeczywistym.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy dziękują firmie Anton Paar za korzystanie z reometru MCR 702 w ramach programu badawczego VIP. Dziękujemy również dr Abhishekowi Shetty'emu za komentarze dotyczące konfiguracji instrumentu.

<ol><li>Dolz, M., Hernández, M. J., Delegido, J., Alfaro, M. C., Muñoz, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Influence+of+xanthan+gum+and+locust+bean+gum+upon+flow+and+thixotropic+behaviour+of+food+emulsions+containing+modified+starch%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Food+Engineering%22%5BJournal%5D)">Influence of xanthan gum and locust bean gum upon flow and thixotropic behaviour of food emulsions containing modified starch.</a> Journal of Food Engineering. 81 (1), 179-186 (2007).</li>
<li>Gupta, N., Zeltmann, S. E., Shunmugasamy, V. C., Pinisetty, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Applications+of+Polymer+Matrix+Syntactic+Foams%5BTitle%5D)+AND+%22JOM%22%5BJournal%5D)">Applications of Polymer Matrix Syntactic Foams.</a> JOM. 66 (2), 245-254 (2013).</li>
<li>Garcıa-Ochoa, F., Santos, V. E., Casas, J. A., Gómez, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Xanthan+gum%3A+production%2C+recovery%2C+and+properties%5BTitle%5D)+AND+%22Biotechnology+Advances%22%5BJournal%5D)">Xanthan gum: production, recovery, and properties.</a> Biotechnology Advances. 18 (7), 549-579 (2000).</li>
<li>Chang, I., Im, J., Prasidhi, A. K., Cho, G. -C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+Xanthan+gum+biopolymer+on+soil+strengthening%5BTitle%5D)+AND+%22Construction+and+Building+Materials%22%5BJournal%5D)">Effects of Xanthan gum biopolymer on soil strengthening.</a> Construction and Building Materials. 74, 65-72 (2015).</li>
<li>Rogers, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+search+of+physical+meaning%3A+defining+transient+parameters+for+nonlinear+viscoelasticity%5BTitle%5D)+AND+%22Rheologica+Acta%22%5BJournal%5D)">In search of physical meaning: defining transient parameters for nonlinear viscoelasticity.</a> Rheologica Acta. 56 (5), 501-525 (2017).</li>
<li>Ferry, J. D. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aFerry%2C+JD+%22Viscoelastic+properties+of+polymers%22">Viscoelastic properties of polymers</a>. , John Wiley & Sons. (1980).</li>
<li>Bird, R. B., Armstrong, R. C., Hassager, O. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBird%2C+RB+%22Dynamics+of+Polymeric+Liquids.+Volume+1%3A+Fluid+Mechanics%22">Dynamics of Polymeric Liquids. Volume 1: Fluid Mechanics</a>. , John Wiley & Sons. New York. (1987).</li>
<li>Park, J. D., Rogers, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+transient+behavior+of+soft+glassy+materials+far+from+equilibrium%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Rheology%22%5BJournal%5D)">The transient behavior of soft glassy materials far from equilibrium.</a> Journal of Rheology. 62 (4), 869-888 (2018).</li>
<li>Rogers, S., Kohlbrecher, J., Lettinga, M. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+molecular+origin+of+stress+generation+in+worm-like+micelles%2C+using+a+rheo-SANS+LAOS+approach%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">The molecular origin of stress generation in worm-like micelles, using a rheo-SANS LAOS approach.</a> Soft Matter. 8 (30), 7831-7839 (2012).</li>
<li>Lettinga, M. P., Holmqvist, P., Ballesta, P., Rogers, S., Kleshchanok, D., Struth, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nonlinear+Behavior+of+Nematic+Platelet+Dispersions+in+Shear+Flow%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Rev+Lett%22%5BJournal%5D)">Nonlinear Behavior of Nematic Platelet Dispersions in Shear Flow.</a> Phys Rev Lett. 109 (24), 246001(2012).</li>
<li>Hyun, K., Wilhelm, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+review+of+nonlinear+oscillatory+shear+tests%3A+Analysis+and+application+of+large+amplitude+oscillatory+shear+%28LAOS%29%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+in+Polymer+Science%22%5BJournal%5D)">A review of nonlinear oscillatory shear tests: Analysis and application of large amplitude oscillatory shear (LAOS).</a> Progress in Polymer Science. 36 (12), 1697-1753 (2011).</li>
<li>Park, J. D., Ahn, K. H., Lee, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structural+change+and+dynamics+of+colloidal+gels+under+oscillatory+shear+flow%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Structural change and dynamics of colloidal gels under oscillatory shear flow.</a> Soft Matter. 11 (48), 9262-9272 (2015).</li>
<li>Lee, C. -W., Rogers, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+sequence+of+physical+processes+quantified+in+LAOS+by+continuous+local+measures%5BTitle%5D)+AND+%22Korea-Australia+Rheology+Journal%22%5BJournal%5D)">A sequence of physical processes quantified in LAOS by continuous local measures.</a> Korea-Australia Rheology Journal. 29 (4), 269-279 (2017).</li>
<li>Rogers, S. A., Erwin, B. M., Vlassopoulos, D., Cloitre, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+sequence+of+physical+processes+determined+and+quantified+in+LAOS%3A+Application+to+a+yield+stress+fluid%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Rheology%22%5BJournal%5D)">A sequence of physical processes determined and quantified in LAOS: Application to a yield stress fluid.</a> Journal of Rheology. 55 (2), 435-458 (2011).</li>
<li>Wagner, M. H., Rolon-Garrido, V. H., Hyun, K., Wilhelm, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+of+medium+amplitude+oscillatory+shear+data+of+entangled+linear+and+model+comb+polymers%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Rheology%22%5BJournal%5D)">Analysis of medium amplitude oscillatory shear data of entangled linear and model comb polymers.</a> Journal of Rheology. 55 (3), 495-516 (2011).</li>
<li>Radhakrishnan, R., Fielding, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shear+banding+in+large+amplitude+oscillatory+shear+%28LAOStrain+and+LAOStress%29+of+soft+glassy+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Rheology%22%5BJournal%5D)">Shear banding in large amplitude oscillatory shear (LAOStrain and LAOStress) of soft glassy materials.</a> Journal of Rheology. 62 (2), 559-576 (2018).</li>
<li>Bharadwaj, N. A., Ewoldt, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Constitutive+model+fingerprints+in+medium-amplitude+oscillatory+shear%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Rheology%22%5BJournal%5D)">Constitutive model fingerprints in medium-amplitude oscillatory shear.</a> Journal of Rheology. 59 (2), 557-592 (2015).</li>
<li>Wilhelm, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fourier%E2%80%90Transform+Rheology%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecular+Materials+and+Engineering%22%5BJournal%5D)">Fourier‐Transform Rheology.</a> Macromolecular Materials and Engineering. 287 (2), 83-105 (2002).</li>
<li>Ewoldt, R. H., Hosoi, A. E., McKinley, G. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((New+measures+for+characterizing+nonlinear+viscoelasticity+in+large+amplitude+oscillatory+shear%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Rheology%22%5BJournal%5D)">New measures for characterizing nonlinear viscoelasticity in large amplitude oscillatory shear.</a> Journal of Rheology. 52 (6), 1427-1458 (2008).</li>
<li>Rogers, S. A., Lettinga, M. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+sequence+of+physical+processes+determined+and+quantified+in+large-amplitude+oscillatory+shear+%28LAOS%29%3A+Application+to+theoretical+nonlinear+models%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Rheology%22%5BJournal%5D)">A sequence of physical processes determined and quantified in large-amplitude oscillatory shear (LAOS): Application to theoretical nonlinear models.</a> Journal of Rheology. 56 (1), 1-25 (2011).</li>
<li>Rogers, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+sequence+of+physical+processes+determined+and+quantified+in+LAOS%3A+An+instantaneous+local+2D%2F3D+approach%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Rheology%22%5BJournal%5D)">A sequence of physical processes determined and quantified in LAOS: An instantaneous local 2D/3D approach.</a> Journal of Rheology. 56 (5), 1129-1151 (2012).</li>
<li>Kim, J., Merger, D., Wilhelm, M., Helgeson, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microstructure+and+nonlinear+signatures+of+yielding+in+a+heterogeneous+colloidal+gel+under+large+amplitude+oscillatory+shear%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Rheology%22%5BJournal%5D)">Microstructure and nonlinear signatures of yielding in a heterogeneous colloidal gel under large amplitude oscillatory shear.</a> Journal of Rheology. 58 (5), 1359-1390 (2014).</li>
<li>van der Vaart, K., Rahmani, Y., Zargar, R., Hu, Z., Bonn, D., Schall, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rheology+of+concentrated+soft+and+hard-sphere+suspensions%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Rheology%22%5BJournal%5D)">Rheology of concentrated soft and hard-sphere suspensions.</a> Journal of Rheology. 57 (4), 1195-1209 (2013).</li>
<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>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Pokazaliśmy, jak prawidłowo wykonywać testy reometrii oscylacyjnej ścinania o dużej amplitudzie przy użyciu komercyjnego reometru oraz uruchamiać bezpłatne oprogramowanie do analizy SPP w celu interpretacji i zrozumienia nieliniowych reakcji na naprężenia dwóch różnych roztworów polimerowych. Struktura SPP, która, jak wykazano wcześniej, koreluje ze zmianami strukturalnymi i ułatwia zrozumienie wielu układów koloidalnych, może być równie dobrze stosowana do układów polimerowych. Reakcje dwóch skoncentrowanych roztworów p...

Stężone roztwory polimerowe są wykorzystywane w wielu zastosowaniach przemysłowych, przede wszystkim w celu zwiększenia lepkości, m.in. w żywności1 i innych produktach konsumenckich2, w procesach zwiększonego odzyskiwania ropy naftowej3 oraz w rekultywacji gleby4. Podczas przetwarzania i użytkowania są one nieuchronnie poddawane dużym odkształceniom w różnych skalach czasowych. W takich procesach wykazują bogate i złożone nieliniowe zachowania reologiczne, które zależą od warunków przepływu lub odkształcenia1. Zrozumienie tych złożonych nieliniowych zachowań reologicznych jest niezbędne do skutecznego kontrolowania procesów, projektowania wysokiej jakości produktów oraz maksymalizacji efektywności energetycznej. Poza znaczeniem przemysłowym istnieje duże zainteresowanie naukowe zrozumieniem zachowań reologicznych materiałów polimerowych w stanach dalekich od równowagi.
Testy ścinania oscylacyjnego stanowią podstawowy element każdej dokładnej charakterystyki reologicznej ze względu na ortogonalne zastosowanie odkształcenia i szybkości odkształcenia.5oraz możliwość niezależnego kontrolowania badanych skal długości i czasu poprzez dostrajanie amplitudy i częstotliwości. Odpowiedź naprężeniową na oscylacyjne odkształcenia ścinające o małej amplitudzie, które są na tyle małe, że nie zaburzają wewnętrznej struktury materiału, można rozłożyć na składowe w fazie z odkształceniem oraz w fazie z szybkością odkształcenia. Współczynniki składowych w fazie z odkształceniem i szybkością odkształcenia określa się zbiorczo mianem modułów dynamicznych6,7oralnie jako moduł magazynujący, <img alt="Krzywe reologiczne, G&#x27; i G&#x27;&#x27; w funkcji częstotliwości, obrazują właściwości wiskoelastyczne; analiza wykresów." src="/files/ftp_upload/58707/58707eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 1">oraz moduł strat, <img alt="Równanie równowagi statycznej ΣFx=0; schemat bilansu sił na powierzchni nachyłej." src="/files/ftp_upload/58707/58707eq2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 2">Moduły dynamiczne pozwalają na jednoznaczną interpretację właściwości sprężystych i lepkościowych. Interpretacje oparte na tych modułach dynamicznych są jednak poprawne jedynie dla małych amplitud odkształcenia, przy których odpowiedzi naprężeniowe na wzbudzenia sinusoidalne również mają charakter sinusoidalny. Zakres ten określa się zazwyczaj jako oscylacyjne ścinanie o małej amplitudzie (SAOS) lub liniowy zakres lepkosprężysty. Wraz ze zwiększaniem narzuconego odkształcenia dochodzi do zmian w mikrostrukturze materiału, co odzwierciedla złożoność niesinusoidalnych przejściowych odpowiedzi naprężeniowych.8W tym nieliniowym reżimie reologicznym, który dokładniej odwzorowuje warunki przetwarzania przemysłowego i użytkowania przez konsumenta, moduły dynamiczne nie stanowią wiarygodnego opisu odpowiedzi materiału. W związku z tym konieczne jest zastosowanie innej metody zrozumienia zachowania skoncentrowanych materiałów miękkich poza stanem równowagi.
Liczne ostatnie badania9,10,1,12,13,14,15,16 wykazały, że materiały przechodzą różnorodne wewnątrzcykliczne zmiany strukturalne i dynamiczne wywołane większymi odkształceniami w reżimach oscylacyjnego ścinania o średniej amplitudzie (MAOS)15,17 oraz oscylacyjnego ścinania o dużej amplitudzie (LAOS). Wewnątrzcykliczne zmiany strukturalne i dynamiczne mają różne przejawy, takie jak niszczenie mikrostruktury, anizotropia strukturalna, lokalne przemieszczenia, reformowanie oraz zmiany dyfuzyjności. Te wewnątrzcykliczne zmiany fizyczne w reżimie nieliniowym prowadzą do złożonych nieliniowych odpowiedzi naprężeniowych, których nie można w prosty sposób interpretować za pomocą modułów dynamicznych. Jako alternatywę zaproponowano kilka podejść do interpretacji nieliniowych odpowiedzi naprężeniowych. Typowymi przykładami są reologia z transformatą Fouriera (reologia FT)18, rozwinięcia w szeregi potęgowe1, opis Czebyšewa19 oraz analiza sekwencji procesów fizycznych (SPP)5,8,13,14,20. Chociaż wykazano, że wszystkie te techniki są matematycznie poprawne, wciąż nieodpowiedzianym pytaniem pozostaje, czy którakolwiek z nich może dostarczyć jasnych i uzasadnionych fizycznie wyjaśnień nieliniowych odpowiedzi naprężeniowych podczas oscylacji. Pozostaje wyzwaniem dostarczenie zwięzłych interpretacji danych reologicznych, które korelują z miarami strukturalnymi i dynamicznymi.
W niedawnym badaniu nieliniowa odpowiedź naprężeniowa modelu miękkiej reologii szklistej (SGR)8 or miękkie szkło wykonane z koloidalnych polimerów gwiazdowych7pod wpływem ścinania oscylacyjnego przeanalizowano za pomocą schematu SPP. Zmiany czasowe właściwości sprężystych i lepkościowych, immanentne dla nieliniowych odpowiedzi naprężeniowych, zostały ilościowo określone oddzielnie za pomocą modułów SPP, <img alt="Diagram równowagi statycznej, równanie Gt&#x27;(t), koncepcja edukacyjna." src="/files/ftp_upload/58707/58707eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 3"> i <img alt='Równanie dopasowania widma Gₜ&quot;(t) dla analizy dynamicznej; wykres dla metod badań optycznych.' src="/files/ftp_upload/58707/58707eq4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 4">Ponadto przejście reologiczne reprezentowane przez moduły przejściowe zostało precyzyjnie skorelowane ze zmianami mikrostrukturalnymi reprezentowanymi przez rozkład elementów mezoskopowych. W badaniu modelu SGR8wyraźnie wykazano, że interpretacja reologiczna poprzez schemat SPP wiernie odzwierciedla zmiany fizyczne we wszystkich warunkach ścinania oscylacyjnego w reżimach liniowym i nieliniowym dla miękkich szkieł. Ta wyjątkowa zdolność do zapewnienia dokładnej interpretacji fizycznej nieliniowych odpowiedzi miękkich szkieł sprawia, że metoda SPP jest atrakcyjnym podejściem dla badaczy analizujących dynamikę poza równowagą roztworów polimerowych i innych miękkich materiałów.
Schemat SPP opiera się na postrzeganiu zachowań reologicznych jako zachodzących w przestrzeni trójwymiarowej (<img alt="Symbol przestrzeni wektorowej R³ w kontekście matematycznym, ilustrujący koncepcję trójwymiarowej przestrzeni euklidesowej." src="/files/ftp_upload/58707/58707eq5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 5">) składający się ze szczepu (<img alt="Równowaga statyczna; ΣFx=0; diagram; równowaga sił; analiza zasad mechaniki." src="/files/ftp_upload/58707/58707eq6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 6">), prędkość odkształcania (<img alt="Diagram równowagi statycznej, symbol γ̇, analiza naprężeń mechanicznych, zastosowanie edukacyjne." src="/files/ftp_upload/58707/58707eq7.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 7">), oraz stres (<img alt="Równowaga statyczna, ΣFx=0, ΣFy=0; diagram sił; analiza równowagi; edukacja z zakresu fizyki." src="/files/ftp_upload/58707/58707eq8.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 8">)5W sensie matematycznym odpowiedzi na naprężenia traktuje się jako funkcje wielozmienne odkształcenia i szybkości odkształcenia (<img alt="Wzór funkcji naprężeń σ=f(γ,γ̇), schemat równania, analiza reologiczna, zachowanie materiału." src="/files/ftp_upload/58707/58707eq9.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 9">). Ponieważ zachowanie reologiczne jest rozpatrywane jako trajektoria w <img alt="Symbol przestrzeni wektorowej R³ w kontekście matematycznym, ilustrujący koncepcję trójwymiarowej przestrzeni euklidesowej." src="/files/ftp_upload/58707/58707eq5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 5"> (lub funkcji wielu zmiennych), wymagane jest narzędzie do analizy właściwości trajektorii. W podejściu SPP moduły przejściowe <img alt="Schemat stanu równowagi statycznej, równanie Gt&#x27;(t), koncepcja edukacyjna." src="/files/ftp_upload/58707/58707eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 3"> i <img alt='Równanie dopasowania widmowego Gₜ&quot;(t) dla analizy dynamicznej; wykres dla metod badań optycznych.' src="/files/ftp_upload/58707/58707eq4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 4"> odgrywać taką rolę. Przejściowy moduł sprężystości <img alt="Schemat równowagi statycznej, równanie Gt&#x27;(t), koncepcja edukacyjna." src="/files/ftp_upload/58707/58707eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 3"> oraz moduł lepkości <img alt='Równanie dopasowania widmowego Gₜ&quot;(t) dla analizy dynamicznej; wykres dla metod badań optycznych.' src="/files/ftp_upload/58707/58707eq4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 4"> definiuje się jako pochodne cząstkowe naprężenia względem odkształcenia (<img alt="Wzór na równowagę statyczną ∂σ/∂γ, równanie pochodnej cząstkowej, zastosowanie edukacyjne w nauce fizyki." src="/files/ftp_upload/58707/58707eq10.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 10">) oraz szybkość odkształcenia (<img alt="Równowaga statyczna, równanie pochodnej cząstkowej, naprężenie σ, szybkość odkształcenia γ, koncepcja matematyczna." src="/files/ftp_upload/58707/58707eq11.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 1">). Zgodnie z fizyczną definicją różniczkowych modułów sprężystości i lepkości, moduły przejściowe określają odpowiednio chwilowy wpływ odkształcenia oraz szybkości odkształcania na odpowiedź naprężeniową, podczas gdy inne metody analizy nie dostarczają informacji o właściwościach sprężystych i lepkościowych w sposób oddzielny.
Podejście SPP wzbogaca interpretację testów ścinania oscylacyjnego. Dzięki analizie SPP złożone nieliniowe zachowania reologiczne stężonych roztworów polimerowych w warunkach LAOS mogą być bezpośrednio powiązane z liniowymi zachowaniami reologicznymi w warunkach SAOS. W niniejszej pracy pokazujemy, w jaki sposób maksymalny przejściowy moduł sprężystości (<img alt="Moduły reologiczne, formuła G&#x27;, symbol matematyczny, inżynieria materiałowa, właściwości wiskoelastyczne" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq12.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 12">maks.) w pobliżu ekstremów odkształcenia odpowiada modułowi zachowawczemu w reżimie liniowym (SAOS). Ponadto pokazujemy, w jaki sposób przejściowy moduł lepkości (<img alt='Równanie dopasowania widma Gₜ&quot;(t) dla analizy dynamicznej; wykres dla metod badań optycznych.' src="/files/ftp_upload/58707/58707eq4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 4">) podczas cyklu LAOS odtwarza krzywą przepływu w stanie ustalonym. Schemat SPP, oprócz dostarczania szczegółowych informacji o złożonej sekwencji procesów, przez które przechodzą stężone roztwory polimerów w warunkach LAOS, dostarcza również informacji na temat odzyskiwalnej odkształcenia materiału. Informacja ta, niedostępna przy zastosowaniu innych metod, stanowi użyteczną miarę tego, w jakim stopniu materiał powróci do stanu pierwotnego po zniesieniu naprężenia. Taki rodzaj zachowania wpływa na drukowalność stężonych roztworów w zastosowaniach druku 3D, a także na sitodruk, formowanie włókien i zatrzymywanie przepływu. Liczne niedawne badania5,8,13 wyraźnie zaznacz, że odkształcenie odzyskiwalne nie musi być tożsame z odkształceniem przyłożonym podczas eksperymentów LAOS. Na przykład badanie miękkich szkieł koloidalnych w warunkach LAOS13 stwierdzono, że odkształcenie odzyskiwalne wynosi zaledwie 5%, gdy przyłożone zostanie znacznie większe odkształcenie całkowite (420%). Inne badania16,21,22,23,24 przy użyciu modułu klatki21 wyciągają również wniosek, że w warunkach LAOS można zaobserwować sprężystość liniową w punkcie bliskim maksimów odkształcenia, co oznacza, że w tych chwilach materiały uległy stosunkowo niewielkiej deformacji. Schemat SPP jest jedynym modelem rozumienia LAOS, który uwzględnia przesunięcie równowagi odkształcenia, co prowadzi do różnicy między odkształceniem odzyskiwalnym a całkowitym.
Niniejszy artykuł ma na celu ułatwienie zrozumienia i zwiększenie łatwości stosowania metody analizy SPP poprzez dostarczenie szczegółowego protokołu dla darmowego oprogramowania do analizy LAOS, z wykorzystaniem dwóch stężonych roztworów polimerów: 4% wag. wodnego roztworu gumy ksantanowej (XG) oraz 5% wag. roztworu PEO w DMSO. Systemy te wybrano ze względu na ich szeroki zakres zastosowań oraz interesujące właściwości reologiczne. Guma ksantanowa, naturalny polisacharyd o wysokiej masie cząsteczkowej, jest wyjątkowo skutecznym stabilizatorem systemów wodnych i powszechnie stosowana jako dodatek do żywności w celu uzyskania pożądanej lepkości lub w wierceniu odwiertów naftowych do zwiększania lepkości i granicy płynięcia płuczek wiertniczych. PEO posiada unikalne właściwości hydrofilowe i jest często wykorzystywana w produktach farmaceutycznych i systemach kontrolowanego uwalniania, a także w działaniach związanych z rekultywacją gleby. Te systemy polimerowe są badane w różnych warunkach ścinania oscylacyjnego, które mają na celu przybliżenie warunków przetwarzania, transportu i użytkowania końcowego. Chociaż warunki praktyczne niekoniecznie muszą obejmować odwracanie przepływu, tak jak w ścinaniu oscylacyjnym, pole przepływu można łatwo przybliżyć i dostosować poprzez niezależną kontrolę przyłożonej amplitudy i narzuconej częstotliwości w teście oscylacyjnym. Co więcej, schemat SPP może być stosowany w opisany tutaj sposób do zrozumienia szerokiego zakresu typów przepływu, w tym tych, które nie obejmują odwracania przepływu, takich jak niedawno zaproponowany UD-LAOS25, w którym oscylacje o dużej amplitudzie są stosowane tylko w jednym kierunku (co doprowadziło do nazwy „jednokierunkowy LAOS”). Dla uproszczenia i w celach ilustracyjnych ograniczamy obecne badanie do tradycyjnego LAOS, który obejmuje okresowe odwracanie przepływu. Zmierzone odpowiedzi reologiczne są analizowane przy użyciu podejścia SPP. Demonstrujemy, jak korzystać z oprogramowania SPP, podając proste wyjaśnienia kluczowych kroków obliczeniowych, aby usprawnić zrozumienie i użytkowanie go przez czytelników. Wprowadzono legendę do interpretacji wyników analizy SPP, zgodnie z którą identyfikowany jest typ przejścia reologicznego. Przedstawiono reprezentatywne wyniki analizy SPP dla dwóch polimerów w różnych warunkach ścinania oscylacyjnego, w których wyraźnie identyfikujemy sekwencję procesów fizycznych zawierającą informacje o liniowej odpowiedzi wiskoelastycznej materiału, jak również o jego właściwościach przepływu w stanie stacjonarnym.
Niniejszy protokół przedstawia kluczowe szczegóły dotyczące dokładnego przeprowadzania nieliniowych eksperymentów reologicznych, a także instrukcję krok po kroku, jak analizować i interpretować odpowiedzi reologiczne w ramach schematu SPP, zgodnie z Rysunkiem 1. W pierwszej kolejności przedstawiamy wprowadzenie do konfiguracji i kalibracji urządzenia, a następnie konkretne polecenia pozwalające dostępnemu w handlu reometrowi na gromadzenie wysokiej jakości danych przejściowych. Po uzyskaniu danych reologicznych przedstawiamy darmowe oprogramowanie do analizy SPP wraz ze szczegółową instrukcją obsługi. Następnie omawiamy sposób interpretacji odpowiedzi zależnej od czasu dla dwóch stężonych roztworów polimerowych w schemacie SPP, porównując wyniki uzyskane z LAOS z pomiarem częstotliwości w zakresie liniowym oraz krzywą przepływu stanu stacjonarnego. Wyniki te wyraźnie wskazują, że roztwory polimerowe przechodzą między różnymi stanami reologicznymi w obrębie jednego cyklu oscylacji, co pozwala na uzyskanie bardziej szczegółowego obrazu ich nieliniowej reologii przejściowej. Dane te mogą być wykorzystane do optymalizacji warunków procesowych w celu formowania, transportu i zastosowania produktów. Takie odpowiedzi zależne od czasu wyznaczają ponadto potencjalne ścieżki do jasnego określenia zależności między strukturą, właściwościami a przetwarzaniem poprzez powiązanie reologii z informacjami o mikrostrukturze uzyskanymi z małokątowego rozpraszania neutronów, promieni rentgenowskich lub światła (odpowiednio SANS, SAXS i SALS), mikroskopii lub szczegółowych symulacji.

<table><tbody><tr><td>Oprogramowanie do analizy SPP</td><td>Simon Rogers Group (UIUC)</td><td>SPPplus_v1p1</td><td>Załączone jako pliki uzupełniające</td></tr><tr><td>Reometr MATLAB</td><td>Mathwork</td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>Anton Paar</td><td>MCR 702 TwinDrive</td><td></td></tr><tr><td>50mm stożek 2 stopni</td><td>Anton Paar</td><td>CP50-2</td><td>Górny system pomiarowy</td></tr><tr><td>Płyta 50 mm</td><td>Anton Paar</td><td>PP50</td><td>Dolny system pomiarowy</td></tr><tr><td>Guma ksantanowa (XG)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>11138-66-2</td><td></td></tr><tr><td>Tlenek polietylenu (PEO)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>25322-68-3</td><td>Mv=1 000 000</td></tr><tr><td>Dimetylosulfotlenek (DMSO)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>67-68-5</td><td></td></tr></tbody></table>

badanie oscylacyjnej odpowiedzi ścinania materiałów miękkich o dużej amplitudzie

Studying Large Amplitude Oscillatory Shear Response of Soft Materials

Badamy sekwencję procesów fizycznych zachodzących podczas oscylacyjnego ścinania o dużej amplitudzie (LAOS) tlenku etylenu (PEO) w dimetylosulfotlenku (DMSO) i gumy ksantanowej w wodzie — dwóch skoncentrowanych roztworów polimerów stosowanych jako wiskozyfikatory w żywności, zwiększony odzysk oleju i remediacja gleby. Zrozumienie nieliniowego zachowania reologicznego miękkich materiałów jest ważne w projektowaniu i kontrolowanej produkcji wielu produktów konsumenckich. Pokazano, w jaki sposób reakcja tych roztworów polimerowych na LAOS może być interpretowana w kategoriach wyraźnego przejścia od liniowej lepkosprężystości do odkształcenia lepkościoplastycznego i z powrotem w danym okresie. Wyniki LAOS są analizowane za pomocą w pełni ilościowej techniki Sekwencji Procesów Fizycznych (SPP), przy użyciu bezpłatnego oprogramowania opartego na MATLAB. Przedstawiono szczegółowy protokół wykonywania pomiaru LAOS za pomocą komercyjnego reometru, analizy nieliniowych reakcji na stres za pomocą darmowego oprogramowania oraz interpretacji procesów fizycznych w LAOS. Wykazano ponadto, że w ramach SPP odpowiedź LAOS zawiera informacje dotyczące lepkosprężystości liniowej, krzywych przepływu przejściowego i odkształcenia krytycznego odpowiedzialnego za wystąpienie nieliniowości.

Przykładowe wyniki analizy SPP dla roztworów XG oraz PEO/DMSO uzyskane w testach ścinania oscylacyjnego przedstawiono na ryc. 4 i 5. Najpierw prezentujemy dane surowe jako krzywe Lissajousa-Bowditcha dla składowej sprężystej (<img alt="Diagram równowagi statycznej, symbol σ-γ, ilustrujący koncepcje równowagi sił." src="/files/ftp_upload/58707/58707eq30.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 30">) i lepkiej (<img alt="Zależność σ−γ̇; nap...

Prezentujemy szczegółowy protokół opisujący, jak przeprowadzić nieliniową reologię oscylacyjną ścinania na miękkich materiałach i jak przeprowadzić analizę SPP-LAOS, aby zrozumieć reakcje jako sekwencję procesów fizycznych.

Badanie oscylacyjnej odpowiedzi ścinania materiałów miękkich o dużej amplitudzie

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

Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie miękkiej materii, takie jak korelacja między odpowiedziami makroskopowymi i mikroskopowymi. Główną zaletą tej metody jest to, że może ona określić ilościowo właściwości lepkosprężyste materiałów w całym eksperymencie reologicznym, w przeciwieństwie do tradycyjnych metod, które dostarczają średnich informacji. Chociaż metoda ta może zapewnić wgląd w materiały polimerowe, może mieć również zastosowanie do innych systemów, takich jak żele koloidalne i szkła oraz materiały biologiczne.Pracuj z reometrem, który może wykonywać pomiary kontroli plam. Najpierw przymocuj górną i dolną geometrię napędu. Do dolnego mocowania użyj płyty 50 mm.Użyj stożka o dwóch stopniach dla górnego mocowania. Następnie wyzeruj odstęp, skalibruj pomiary i ustaw temperaturę. Po wykonaniu tych kroków otwórz przerwę w geometriach od zera, aby umożliwić przetestowanie materiału obciążeniowego.Przejdź dalej, aby zdobyć materiał do testów. W tym przypadku jest to tlenek etylenu w DMSO, z czerwonym barwnikiem do demonstracji. Za pomocą szpatułki załaduj materiał na górną część dolnej geometrii.Upewnij się, że w próbce w reometrze nie ma pęcherzyków powietrza. Pracuj z systemami pomiarowymi, ustawionymi na przycinanie szczeliny. Użyj kwadratowej szpatułki na końcu geometrii, aby delikatnie przyciąć nadmiar materiału.Wróć do luki pomiarowej, zanim przejdziesz dalej. Uruchom sinusoidalny test ścinania oscylacyjnego za pomocą oprogramowania. Przejdź do sekcji Moje aplikacje.Znajdź i otwórz Nożyce oscylacyjne o dużej amplitudzie. Następnie przejdź do pola pomiaru. Tam kliknij zmienną odkształcenia.Wprowadź początkową i końcową wartość przemiatania amplitudy odkształcenia. odpowiednio 1 i 4000 procent. Określ narzuconą częstotliwość.Ustaw również całkowitą liczbę amplitud odkształceń w wybranym zakresie na 16. Zaznacz pole Pobierz przebieg, aby zbierać odpowiedzi przejściowe. Kliknij przycisk Start, aby rozpocząć eksperymenty.Dane będą wyświetlane w trakcie około pięciominutowego biegu. Reometr może być również używany do dowolnie zdefiniowanych odkształceń. W pliku zewnętrznym utwórz listę wartości odkształceń, aby zdefiniować funkcję, która ma zostać zastosowana.Przejdź do oprogramowania reometrycznego i kliknij Moje aplikacje. I kliknij generator znaków falowych. W polu pomiaru kliknij odkształcenie.Stamtąd kliknij Edytuj. Na liście wartości wklej wstępnie określone wartości odkształcenia z pliku zewnętrznego. Określ liczbę wprowadzanych punktów, czas trwania punktów i czas dostosowania narzuconej częstotliwości.Po zakończeniu zaznacz pole Pobierz przebieg u góry. Następnie kliknij przycisk Start, aby rozpocząć eksperyment. Dane pomiarowe pojawią się na monitorze w miarę postępu eksperymentu.Dane te dotyczą roztworu gumy ksantanowej poddanego testom ścinania oscylacyjnego. Te nieliniowe krzywe naprężenia i odkształcenia wskazują, że w materiale zachodzi sekwencja procesów fizycznych. Sekwencja procesów fizycznych i oprogramowanie analityczne określa moduły przejściowe, które sygnalizują właściwości sprężyste i lepkie materiałów.Ich ewolucja ujawnia zachowanie pod wpływem ścinania oscylacyjnego o dużej amplitudzie. W tym przypadku maksymalna elastyczność jest prawie stała we wszystkich amplitudach. Wykres tej maksymalnej elastyczności obserwowanej podczas ścinania oscylacyjnego o dużej amplitudzie i modułów dynamicznych w całym zakresie amplitud ujawnia wyraźną zgodność z modułem zachowania reżimów liniowych.Odkształcenie sprężyste określone przez sekwencję procesów fizycznych oprogramowania w przypadku maksymalnej elastyczności wynosi około 16 procent, nawet jeśli zastosowane odkształcenie jest tak duże, jak 4000 procent. Oto sekwencja procesów fizycznych zachodzących pod wpływem roztworu gumy ksantanowej. W reżimie lepkościoplastycznym analiza wskazuje na zerową elastyczność.Wraz ze spadkiem szybkości ścinania roztwór sztywnieje, co wskazuje, że jego struktura ulega reformie. Po uzyskaniu wystarczającego odkształcenia następuje szybkie przejście od zachowania elastycznego do lepkiego. Po ustąpieniu odpowiedź powraca do reżimu deformacji lepkościoplastycznej, a sekwencje zachodzą w przeciwnym kierunku.Po opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się reologią miękkiej materii do dalszego badania zależności przetwarzania właściwości struktur przejściowych.

studying-large-amplitude-oscillatory-shear-response-of-soft-materials

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Komórka ścinająca jest przeznaczona do pomiarów rozpraszania neutronów pod małym kątem w płaszczyźnie gradientu prędkości-prędkości ścinania i służy do charakteryzowania złożonych płynów. Pomiary przestrzennie rozdzielcze w kierunku gradientu prędkości są możliwe do badania materiałów z pasmami ścinania. Zastosowania obejmują badania dyspersji koloidalnych, roztworów polimerowych i struktur samoorganizujących się.

Pomiar mikrostruktury materiału pod przepływem za pomocą rozpraszania neutronów w 1-2 płaszczyznach przepływu i małym kącie

Obecne badanie zaleca metodologię symulacji sprzężonego eksperymentu z elementami skończonymi, aby uzyskać jednoosiową dynamiczną reakcję mechaniczną miękkich biomateriałów (mózg, wątroba, ścięgna, tłuszcz, itp.). Wieloosiowe wyniki eksperymentalne, które powstały z powodu wybrzuszenia próbki uzyskanego z testów prętów ciśnieniowych Split-Hopkinson, zostały przekształcone w jednoosiowe rzeczywiste zachowanie naprężenie-odkształcenie podczas symulacji poprzez iteracyjną optymalizację analizy...

Sprzężona eksperymentalna metodologia modelowania metodą elementów skończonych do oceny reakcji mechanicznej miękkich biomateriałów przy dużej szybkości odkształcania

Prezentujemy zestaw technik do scharakteryzowania lepkosprężystych właściwości mechanicznych mózgu w mikro-, mezo- i makro-skali.

Charakterystyka wieloskalowych właściwości mechanicznych tkanki mózgowej za pomocą mikroskopii sił atomowych, wgłębień udarowych i reometrii

Przedstawiono protokół dla solidnej i istotnej dla zastosowania charakterystyki reologicznej wysoko skoncentrowanych zawiesin. Pasty srebrne stosowane do sitodruku w produkcji ogniw słonecznych są stosowane jako systemy modelowe.

Wyzwania w charakterystyce reologicznej wysoko skoncentrowanych zawiesin — studium przypadku dla past srebrnych do sitodruku

Aby umożliwić wiarygodne przewidywania mięknienia substratów polimerowych dla implantów neuronowych w środowisku in vivo, ważne jest posiadanie niezawodnej metody in vitro. W tym artykule przedstawiono zastosowanie dynamicznej analizy mechanicznej w roztworze soli fizjologicznej buforowanej fosforanami w temperaturze ciała.

Środowiskowa dynamiczna analiza mechaniczna w celu przewidywania mięknienia implantów neuronowych

Przedstawiamy szczegółowy protokół kalibracji dla komercyjnej techniki reologii superpozycji ortogonalnej z wykorzystaniem płynów Newtona, w tym metody wyznaczania współczynnika korekcyjnego efektu końcowego oraz zalecenia dotyczące najlepszych praktyk w celu zmniejszenia błędu eksperymentalnego.

Procedury kalibracji reologii superpozycji ortogonalnej

Istnieje potrzeba określenia, które zmiany miażdżycowe będą postępować w unaczynieniu wieńcowym, aby kierować interwencją przed wystąpieniem zawału mięśnia sercowego. W tym artykule przedstawiono biomechaniczne modelowanie tętnic za pomocą optycznej tomografii koherentnej przy użyciu technik interakcji płyn-struktura w komercyjnym solverze elementów skończonych, aby pomóc przewidzieć tę progresję.

Optyczna tomografia koherentna Biomechaniczna analiza interakcji płyn-struktura progresji miażdżycy tętnic wieńcowych

Protokół przedstawia kompletny przebieg eksperymentów z nanoindentacją miękkiego materiału, w tym hydrożeli i komórek. Po pierwsze, szczegółowo opisano etapy eksperymentalne mające na celu pozyskanie danych ze spektroskopii sił; następnie analiza takich danych jest szczegółowo opisana za pomocą nowo opracowanego oprogramowania Python o otwartym kodzie źródłowym, które można pobrać bezpłatnie z GitHub.

Proces eksperymentowania i analizy danych dla nanotwardości miękkiej materii

Obecny protokół określa właściwości tchawicy świńskiej w zakresie relaksacji naprężeń rozciągających i uszkodzeń. Wyniki uzyskane dzięki takim metodom mogą pomóc w lepszym zrozumieniu progów lepkosprężystości i uszkodzenia tchawicy oraz przyczynić się do zwiększenia możliwości modeli obliczeniowych układu oddechowego.

Badanie relaksacji stresu i reakcji na niepowodzenia w tchawicy

Ten protokół przedstawia ilościowe określanie właściwości mechanicznych nowotworowych i nienowotworowych linii komórkowych in vitro. Konserwatywne różnice w mechanice komórek nowotworowych i prawidłowych mogą działać jako biomarker, który może mieć wpływ na rokowanie i diagnozę.

Protokół testu ścinania w celu określenia właściwości materiału jednokomórkowego

Poznaj nieliniową reometrię oscylacyjną do badania właściwości lepkosprężystych materiałów miękkich. Metoda SPP-LAOS pozwala szczegółowo analizować odpowiedzi materiałów w czasie rzeczywistym.

Badanie oscylacyjnej odpowiedzi ścinania materiałów miękkich o dużej amplitudzie

Przeglądaj więcej filmów