دراسة استجابة متذبذبة القص السعة الكبيرة من مواد لينة
Summary
نقدم بروتوكول مفصل يبين كيفية تنفيذ ريولوجيا القص متذبذبة غير الخطية على مواد لينة، وكيفية تشغيل تحليل SPP-لاوس لفهم الاستجابات كتسلسل عمليات الفيزيائية.
Abstract
نحن التحقيق في سلسلة العمليات الفيزيائية التي عرضت خلال السعة الكبيرة متذبذبة القص (لاوس) أكسيد إثيلين (بيو) في ثنائي ميثيل سلفوكسيد ([دمس]) والصمغ زنتان في المياه – اثنين تتركز حلول البوليمر المستخدمة فيسكوسيفيرس في الأطعمة، الاستخلاص المعزز للنفط، وإصلاح التربة. فهم سلوك انسيابية غير الخطية من مواد لينة أمر هام في التصميم والتحكم في تصنيع العديد من المنتجات الاستهلاكية. ويتضح كيف يمكن تفسير استجابة للاوس هذه الحلول البوليمر من حيث انتقال واضح من فيسكولاستيسيتي الخطي إلى الخلف وتشوه فيسكوبلاستيك مرة أخرى خلال فترة. نتائج لاوس تم تحليلها عن طريق تقنية تسلسل العمليات المادية (SPP) كامل الكمية، استخدام البرمجيات الحرة على أساس MATLAB. بروتوكول مفصل لأداء قياس لاوس مع رهيوميتير تجارية، يقدم تحليل استجابات الإجهاد غير الخطية مع مجانية، وتفسير العمليات الفيزيائية في لاوس. ويتضح كذلك أن استجابة لاوس في إطار SPP، تتضمن معلومات تتعلق فيسكولاستيسيتي الخطية ومنحنيات التدفق عابرة، وسلالة الهامة المسؤولة عن البداية غير خطية.
Introduction
وتستخدم حلول البوليمر تتركز في مجموعة متنوعة من التطبيقات الصناعية أساسا لزيادة اللزوجة، بما في ذلك في الأطعمة1 و المنتجات الاستهلاكية2، المعزز للنفط الانتعاش3، و إصلاح التربة4. أثناء تجهيزها واستخدامها، بالضرورة أنهم يتعرضون لتشوهات كبيرة أكثر من مجموعة من الجداول الزمنية. تحت مثل هذه العمليات، فإنها تظهر السلوكيات انسيابية غير الخطية الغنية والمعقدة التي تعتمد على تدفق أو تشوه شروط1. فهم هذه السلوكيات انسيابية غير الخطية المعقدة أمر ضروري لنجاح السيطرة على العمليات، وتصميم منتجات متفوقة، وتحقيق أقصى قدر من الكفاءة في استخدام الطاقة. وبصرف النظر عن أهمية صناعية، وهناك قدر كبير من الاهتمام الأكاديمي بفهم السلوكيات انسيابية المواد البوليمرية بعيدة عن التوازن.
اختبارات القص متذبذبة مكون أساسية لكل توصيف دقيق انسيابية بسبب تطبيق متعامد من إجهاد وإجهاد معدل5، والقدرة على التحكم بشكل مستقل بطول والوقت جداول بروبيد بضبط السعة والتردد. يمكن متحللة إجهاد استجابة لإجهادات القص متذبذبة السعة الصغيرة، التي صغيرة بما فيه الكفاية لا تخل بالهيكل الداخلي لمادة، إلى عناصر في المرحلة مع الإجهاد وفي مرحلة مع معدل الإجهاد. معاملات المكونات في المرحلة مع الضغط ومعدل الإجهاد هي يشار إليها بواقي دينامية6،7، وعلى حدة كمعامل التخزين، 
، ومعامل الكسب، 
. بواقي دينامية تؤدي إلى مسح تفسيرات مرنة ولزج. التفسيرات التي تستند إلى هذه بواقي دينامية غير صالحة فقط من أجل ستريك سلالة صغيرة، حيث تكون استجابات الإجهاد للجسيمات جيبية جيبية أيضا. هذا النظام هو يشار عموما إلى القص متذبذبة السعة الصغيرة (ساوس)، أو على النظام الخطي لزج مطاطي. كما تشوه المفروضة يصبح أكبر، فعل التغييرات في المواد المجهرية، التي تنعكس في تعقيد استجابات الإجهاد عابر غير الجيبية8. بمثابة بواقي ديناميكية في هذا النظام غير الخطية رهيولوجيكالي، الذي يحاكي عن كثب أكثر شروط الاستخدام التجهيز والاستهلاك الصناعي، وصف الفقراء للاستجابة. هناك طريقة أخرى لفهم كيف تتصرف المواد اللينة مركزة من التوازن مطلوب لذلك.
وقد أظهر عدد من الأخيرة دراسات9،10،11،،من1213،،من1415،16 أن المواد التي يمر وأثارت التغيرات الهيكلية والديناميكية المتنوعة داخل دورة بتشوهات أكبر في السعة المتوسطة متذبذبة القص (ماوس)15،17 والسعة الكبيرة متذبذبة القص النظم (لاوس). التغييرات الهيكلية والديناميكية داخل دورة لها مظاهر مختلفة، مثل الكسر المجهرية وتباين الهيكلية، وترتيبات جديدة محلية، والإصلاح والتغييرات في الانتشارية. هذه التغيرات الجسدية داخل دورة في النظام غير الخطية تؤدي إلى استجابات الإجهاد غير الخطية المعقدة التي لا يمكن تفسيرها ببساطة مع بواقي ديناميكية. وكبديل لذلك، وقد اقترحت عدة نهج لتفسير استجابات الإجهاد غير الخطية. الأمثلة الشائعة لهذا هي فورييه تحويل ريولوجيا (ريولوجيا متر)18و توسعات سلسلة الطاقة11و وصف Chebyshev19وتسلسل العمليات الفيزيائية (SPP)5،8، 13،،من1420 التحليل. على الرغم من أن كل من هذه التقنيات قد أظهرت أن تكون رياضيا قوية، إلا أنها لا تزال دون إجابة سؤال فيما يتعلق بما إذا كان أي من هذه التقنيات يمكن أن توفر تفسيرات مادية واضحة ومعقولة من الردود غير الخطية الإجهاد متذبذبة. فإنه لا يزال يشكل تحديا معلقة لتقديم تفسيرات موجزة انسيابية البيانات التي ترتبط بالتدابير الهيكلية والديناميكية.
في دراسة أجريت مؤخرا، وقد تم تحليل استجابة الإجهاد غير الخطية النموذجي ريولوجيا زجاجي الناعمة (SGR)8 وزجاج ناعمة المصنوعة من البوليمرات نجمة الغروية7تحت القص متذبذبة من خلال مخطط SPP. التغيرات الزمنية في خصائص مرنة ولزج المتأصلة في استجابات الإجهاد غير الخطية كانت كمياً بشكل منفصل ببواقي SPP، 
و 
. وعلاوة على ذلك، دقة مرتبطة ارتباطاً الانتقال انسيابية ممثلة ببواقي عابر بالتغييرات ميكروستروكتورال ممثلة بتوزيع العناصر mesoscopic. في دراسة نموذجية SGR8، أنه كان أظهرت بوضوح أن تفسير انسيابية عبر مخطط SPP يعكس بدقة التغيرات الجسدية تحت جميع الظروف القص متذبذبة في الأنظمة الخطية وغير الخطية للنظارات الناعمة. يجعل هذا إمكانية فريدة لتقديم تفسير المادية دقيقة للردود غير الخطية من النظارات الناعمة الأسلوب SPP نهج جذابة للباحثين الذين يدرسون خارج من توازن القوى المحركة لحلول البوليمر وغيرها من المواد الناعمة.
مخطط SPP يتمحور حول عرض السلوكيات انسيابية كالتي تحدث في الفضاء ثلاثي الأبعاد (
) التي تتكون من السلالة (
)، معدل الضغط (
)، والإجهاد (
)5. في إحساس رياضية، تعامل الردود الإجهاد كوظائف متعددة المتغيرات السلالة ومعدل الإجهاد (
). كما يعتبر السلوك انسيابية كمسار في (أو دالة متعدد المتغيرات)، أداة لمناقشة خصائص مسار مطلوب. في نهج SPP، بواقي عابر و القيام بهذا دور. معامل مرونة عابر ومعامل اللزوجة تم تعريفها كالمشتقات الجزئية من التوتر فيما يتعلق بالسلالة (
) ومعدل الإجهاد (
). بعد تعريف المادية بواقي مطاطا ولزج التفاضلية، بواقي عابر كمياً لحظية تأثير الضغط ومعدل الضغط على استجابة الإجهاد على التوالي، بينما أساليب التحليل الأخرى لا يمكن تقديم أي معلومات عن خصائص مرنة ولزج بشكل منفصل.
النهج SPP الذي يثري تفسير اختبارات القص متذبذبة. مع تحليل SPP، يمكن سلوك انسيابية غير الخطية المعقدة تتركز الحلول البوليمرية في لاوس ارتباطاً مباشرا بالسلوكيات انسيابية الخطي في سوس. نعرض في هذا العمل كيف معامل مرونة عابر الحد الأقصى (
كحد أقصى) القرب من السلالة يناظر القصوى معامل التخزين في النظام الخطي (ساوس). وعلاوة على ذلك، نعرض كيف معامل اللزوجة عابرة () خلال لاوس دورة آثار منحنى التدفق حالة ثابتة. بالإضافة إلى توفير تفاصيل عن تسلسل العمليات التي تتركز حلول البوليمر مجمع تذهب من خلال إطار لاوس، مخطط SPP يقدم معلومات عن سلالة القابلة للاسترداد في المواد أيضا. هذه المعلومات التي لا يمكن الحصول عليها من خلال نهوج أخرى، تدبير مفيد لكمية مواد سوف نكص بمجرد إزالة الإجهاد. مثل هذا السلوك له تأثير على برينتابيليتي تتركز الحلول لتطبيقات الطباعة ثلاثية الأبعاد، فضلا عن طباعة الشاشة وتشكيل الألياف، ووقف تدفق. عدد من الدراسات التي أجريت مؤخرا5،،من813 تشير بوضوح إلى أن سلالة القابلة للاسترداد ليست بالضرورة نفس السلالة فرضت أثناء تجارب لاوس. على سبيل المثال، وجدت دراسة النظارات الغروية لينة تحت لاوس13 أن سلالة القابلة للاسترداد هو 5% فقط عند كثير مجموع أكبر سلالة (420%) هو المفروض. دراسات أخرى تختتم16،21،22،،من2324 استخدام معامل قفص21 أيضا أن مرونة خطية يمكن ملاحظتها في لاوس في النقطة إغلاق لسلالة ماكسيما، مما يعني أن المواد التي شهدت تشوه صغير نسبيا في تلك إينستانتس. مخطط SPP هو الإطار الوحيد لفهم لاوس تمثل تحولاً في توازن الضغط الذي يؤدي إلى اختلاف بين القابلة للاسترداد وسلالات مجموع.
هذا المقال يهدف إلى تيسير التفاهمات وسهولة استخدام أسلوب التحليل SPP ينص بروتوكول مفصلة مجانية تحليل لاوس، باستخدام حلول البوليمر تتركز اثنين و 4 wt % صمغ زنتان (XG) محلول مائي % wt 5 مكتب الأخلاقيات المهنية في حل [دمس]. ويتم اختيار هذه النظم بسبب بهم طائفة واسعة من التطبيقات ومثيرة للاهتمام رهيولوجيكالي خصائص. زنتان الصمغ، طبيعية عالية الوزن الجزيئي السكاريد، استقرار فعالة بشكل استثنائي للنظم المائية وتطبق عادة كغذاء مضافة توفير فيسكوسيفيكيشن المطلوب أو في حفر آبار لزيادة اللزوجة وتعطي النقاط للنفط الحفر الأطيان. مكتب الأخلاقيات المهنية له خاصية ماء فريدة من نوعها، وكثيراً ما يستخدم في المنتجات الصيدلانية ونظم الإفراج التي تسيطر عليها، فضلا عن أنشطة إصلاح التربة. ويتم اختبار هذه النظم البوليمرية ظروف القص متذبذبة المختلفة التي تهدف إلى تقريب التجهيز والنقل وظروف الاستخدام النهائي. على الرغم من أن هذه الظروف العملية قد لا تشمل بالضرورة عكس تدفق كما هو الحال في القص متذبذبة، مجال التدفق يمكن الاقتراب منها بسهولة وضبطها مع عنصر تحكم مستقلة من التطبيقية السعة وفرض التردد في إجراء اختبار متذبذبة. وعلاوة على ذلك، نظام SPP يمكن استخدامها كما هو موضح هنا لفهم طائفة واسعة من أنواع التدفق، بما في ذلك تلك التي لا تشمل تدفق الانتكاسات مثل اقترح مؤخرا UD-لاوس25، التي تطبق فيها ذبذبات السعة الكبيرة في أحد الاتجاه فقط (مما يؤدي إلى لقب “أحادية الاتجاه لاوس”). للبساطة، وعلى سبيل التوضيح، يمكننا تقييد الدراسة الحالية إلى لاوس التقليدية، التي تشمل عكس التدفق الدوري. ويتم تحليل الردود انسيابية المقاسة مع النهج SPP. نحن لشرح كيفية استخدام برنامج SPP مع شرح بسيط على حساب أبرز الخطوات لتحسين فهم القراء والاستخدام. هو عرض وسيلة إيضاح لتفسير نتائج التحليل SPP، طبقاً للذي هو تحديد نوع الانتقال انسيابية. يتم عرض نتائج التحليل SPP الممثل للبوليمرات اثنين القص متذبذبة في ظروف مختلفة، التي نحن تحدد بوضوح تسلسل العمليات الفيزيائية التي تحتوي على المعلومات المتعلقة الخطية لزج مطاطي استجابة بالمواد، وكذلك خصائص تدفق حالة ثابتة من المواد.
يوفر هذا البروتوكول التفاصيل البارزة لكيفية دقة إجراء تجارب انسيابية غير الخطية، فضلا عن خطوة بخطوة دليل لتحليل وفهم استجابات انسيابية مع إطار SPP، كما هو مبين في الشكل 1. نبدأ بتوفير مدخل إلى إعداد صك ومعايرات، متبوعاً بأوامر محددة لجعل رهيوميتير متوفرة تجارياً جمع بيانات عالية الجودة عابرة. مرة واحدة وقد تم الحصول على البيانات انسيابية، نقدم مجانية تحليل SPP، مع دليل مفصل. علاوة على ذلك، ونحن نناقش كيفية فهم الاستجابة تعتمد على الوقت من الحلين البوليمر تتركز داخل المخطط SPP، بمقارنة النتائج التي تم الحصول عليها من لاوس باكتساح خطي نظام التردد ومنحني التدفق حالة ثابتة. هذه النتائج تبين بوضوح أن حلول البوليمر الانتقال بين الدول انسيابية مميزة داخل التذبذب، تسمح بصورة أكثر تفصيلاً لما ريولوجيا عابر غير الخطية للظهور. هذه البيانات يمكن أن تستخدم لتحسين ظروف التجهيز لتكوين المنتج، والنقل، واستخدامها. هذه الاستجابات تعتمد على الوقت كذلك توفير المسارات المحتملة لوضوح النموذج علاقات هيكل الملكية-تجهيز باقتران ريولوجيا مع ميكروستروكتورال المعلومات التي تم الحصول عليها من تشتت الزاوية الصغير من النيوترونات، والأشعة السينية، أو الخفيفة ( بلا ساكسس وقرضا، على التوالي)، الفحص المجهري، أو المحاكاة مفصلة.
Protocol
Representative Results
Discussion
لقد أظهرنا كيفية بشكل صحيح بإجراء اختبارات رهيوميتري القص متذبذبة السعة الكبيرة باستخدام رهيوميتير تجارية، وتشغيل مجانية تحليل SPP على تفسير وفهم استجابات الإجهاد غير الخطية حلول البوليمر مميزة اثنين. يمكن تطبيقها في إطار النيابة، التي ثبت سابقا أن ترتبط بالتغييرات الهيكلية وتيسير التف?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يشكر المؤلفون أنطون بار لاستخدام رهيوميتير MCR 702 من خلال برنامج البحوث الأكاديمية كبار الشخصيات. كما نشكر الدكتور ابهيشيك شيتي على التعليقات في إعداد الصك.
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 |
References
- Dolz, M., Hernández, M. J., Delegido, J., Alfaro, M. C., Muñoz, J. Influence of xanthan gum and locust bean gum upon flow and thixotropic behaviour of food emulsions containing modified starch. Journal of Food Engineering. 81 (1), 179-186 (2007).
- Gupta, N., Zeltmann, S. E., Shunmugasamy, V. C., Pinisetty, D. Applications of Polymer Matrix Syntactic Foams. JOM. 66 (2), 245-254 (2013).
- Garcıa-Ochoa, F., Santos, V. E., Casas, J. A., Gómez, E. Xanthan gum: production, recovery, and properties. Biotechnology Advances. 18 (7), 549-579 (2000).
- Chang, I., Im, J., Prasidhi, A. K., Cho, G. -. C. Effects of Xanthan gum biopolymer on soil strengthening. Construction and Building Materials. 74, 65-72 (2015).
- Rogers, S. A. In search of physical meaning: defining transient parameters for nonlinear viscoelasticity. Rheologica Acta. 56 (5), 501-525 (2017).
- Ferry, J. D. . Viscoelastic properties of polymers. , (1980).
- Bird, R. B., Armstrong, R. C., Hassager, O. . Dynamics of Polymeric Liquids. Volume 1: Fluid Mechanics. , (1987).
- Park, J. D., Rogers, S. A. The transient behavior of soft glassy materials far from equilibrium. Journal of Rheology. 62 (4), 869-888 (2018).
- Rogers, S., Kohlbrecher, J., Lettinga, M. P. The molecular origin of stress generation in worm-like micelles, using a rheo-SANS LAOS approach. Soft Matter. 8 (30), 7831-7839 (2012).
- Lettinga, M. P., Holmqvist, P., Ballesta, P., Rogers, S., Kleshchanok, D., Struth, B. Nonlinear Behavior of Nematic Platelet Dispersions in Shear Flow. Phys Rev Lett. 109 (24), 246001 (2012).
- Hyun, K., Wilhelm, M., et al. A review of nonlinear oscillatory shear tests: Analysis and application of large amplitude oscillatory shear (LAOS). Progress in Polymer Science. 36 (12), 1697-1753 (2011).
- Park, J. D., Ahn, K. H., Lee, S. J. Structural change and dynamics of colloidal gels under oscillatory shear flow. Soft Matter. 11 (48), 9262-9272 (2015).
- Lee, C. -. W., Rogers, S. A. A sequence of physical processes quantified in LAOS by continuous local measures. Korea-Australia Rheology Journal. 29 (4), 269-279 (2017).
- Rogers, S. A., Erwin, B. M., Vlassopoulos, D., Cloitre, M. A sequence of physical processes determined and quantified in LAOS: Application to a yield stress fluid. Journal of Rheology. 55 (2), 435-458 (2011).
- Wagner, M. H., Rolon-Garrido, V. H., Hyun, K., Wilhelm, M. Analysis of medium amplitude oscillatory shear data of entangled linear and model comb polymers. Journal of Rheology. 55 (3), 495-516 (2011).
- Radhakrishnan, R., Fielding, S. Shear banding in large amplitude oscillatory shear (LAOStrain and LAOStress) of soft glassy materials. Journal of Rheology. 62 (2), 559-576 (2018).
- Bharadwaj, N. A., Ewoldt, R. H. Constitutive model fingerprints in medium-amplitude oscillatory shear. Journal of Rheology. 59 (2), 557-592 (2015).
- Wilhelm, M. Fourier‐Transform Rheology. Macromolecular Materials and Engineering. 287 (2), 83-105 (2002).
- Ewoldt, R. H., Hosoi, A. E., McKinley, G. H. New measures for characterizing nonlinear viscoelasticity in large amplitude oscillatory shear. Journal of Rheology. 52 (6), 1427-1458 (2008).
- Rogers, S. A., Lettinga, M. P. A sequence of physical processes determined and quantified in large-amplitude oscillatory shear (LAOS): Application to theoretical nonlinear models. Journal of Rheology. 56 (1), 1-25 (2011).
- Rogers, S. A. A sequence of physical processes determined and quantified in LAOS: An instantaneous local 2D/3D approach. Journal of Rheology. 56 (5), 1129-1151 (2012).
- Kim, J., Merger, D., Wilhelm, M., Helgeson, M. E. Microstructure and nonlinear signatures of yielding in a heterogeneous colloidal gel under large amplitude oscillatory shear. Journal of Rheology. 58 (5), 1359-1390 (2014).
- van der Vaart, K., Rahmani, Y., Zargar, R., Hu, Z., Bonn, D., Schall, P. Rheology of concentrated soft and hard-sphere suspensions. Journal of Rheology. 57 (4), 1195-1209 (2013).
- Poulos, A. S., Stellbrink, J., Petekidis, G. Flow of concentrated solutions of starlike micelles under large-amplitude oscillatory shear. Rheologica Acta. 52 (8-9), 785-800 (2013).
- Armstrong, M. J., Beris, A. N., Rogers, S. A., Wagner, N. J. Dynamic shear rheology of a thixotropic suspension: Comparison of an improved structure-based model with large amplitude oscillatory shear experiments. Journal of Rheology. 60 (3), 433-450 (2016).
- Calabrese, M. A., Wagner, N. J., Rogers, S. A. An optimized protocol for the analysis of time-resolved elastic scattering experiments. Soft Matter. 12 (8), 2301-2308 (2016).
