Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Studera stor amplitud oscillerande skjuvning svar av mjuka material

Published: April 25, 2019 doi: 10.3791/58707
Automatic Translation
1, 1, 1
1Department of Chemical and Biomolecular Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign

Summary

Vi presenterar ett detaljerat protokoll som beskriver hur du utför ickelinjära oscillerande skjuvning reologi på mjuka material, och hur man kör SPP-LAOS analys för att förstå Svaren som en sekvens av fysikaliska processer.

Abstract

Vi undersöker sekvensen av fysikaliska processer uppvisade under stor amplitud oscillerande klippning (LAOS) av polyeten oxid (PEO) dimetyl sulfoxid (DMSO) och xantangummi i vatten – två koncentrerade polymerlösningar används som viscosifiers i livsmedel, förbättrad oljeutvinning och marksanering. Förstå den ickelinjära reologiska beteenden av mjuka material är viktigt i designen och kontrollerad tillverkning av många konsumentprodukter. Det visas hur svaret till LAOS av dessa polymerlösningar kan tolkas i termer av en tydlig övergång från linjär viskoelasticitet till viscoplastic deformation och tillbaka igen under en period. Det är LAOS resultaten analyseras via fullt kvantitativa sekvens av fysiska processer (SPP) tekniken, med gratis MATLAB-baserad programvara. Ett detaljerat protokoll utföra en LAOS mätning med en kommersiell reometer, analysera olinjära stressreaktioner med freeware, och tolka fysikaliska processer under LAOS presenteras. Det är vidare visat att, inom ramen för SPP LAOS svar innehåller information angående den linjär viskoelasticitet, övergående flöde kurvorna och den kritiska stammen som är ansvariga för uppkomsten av olinjäritet.

Introduction

Koncentrerad polymera lösningar används i en mängd olika industriella tillämpningar främst för att öka viskositeten, inklusive i livsmedel1 och annan konsument produkter2, förbättrad oil recovery3och jord sanering4. Under deras bearbetning och användning utsätts de nödvändigtvis för stora deformationer över ett antal olika tidsskalor. Under sådana processer visar de rika och komplexa olinjära reologiska beteenden som beror på det flöde eller deformation villkor1. Förstå dessa komplexa olinjära reologiska beteenden är avgörande för framgångsrikt styra processer, designa överlägsna produkter och maximera energieffektiviteten. Bortsett från den industriella betydelsen finns det en hel del av akademiskt intresse för att förstå den reologiska beteenden av polymera material långt från jämvikt.

Oscillerande skjuvprov är en krampa komponent i varje grundlig reologisk karaktärisering på grund av ortogonala tillämpningen av stam och stam takt5, och förmågan att självständigt kontrollera längd och tid skalor sonderade genom att trimma den amplitud och frekvens. Stress svaret till liten amplitud oscillerande skjuvning stammar, som är tillräckligt små för att inte störa en materialets inre struktur, kan delas upp i komponenter i fas med stam och i fas med stam. Koefficienterna för komponenterna i fas med stammen och andelen stam avses kollektivt som dynamiska moduli6,7, och individuellt som lagring modulus, Equation 1 , och förlust modulus, Equation 2 . De dynamiska moduli leda till klara elastiska och viskösa tolkningar. Tolkningar utifrån dessa dynamiska moduli är dock giltiga endast för små stam amplituder, där stress Svaren till sinusformad excitationer också är sinusformad. Denna regim är allmänt kallas den liten amplitud oscillerande skjuvning (SAOS) eller linjär viskoelastiska regimen. Som påtvingade deformationen blir större, induceras förändringar i den materiella mikrostrukturen, vilket återspeglas i komplexiteten i den icke-sinusformade övergående stress svar8. I denna rheologically ickelinjära regim, som närmare härmar industriell bearbetning och konsumenten användningsförhållandena, fungera de dynamiska moduli som fattiga beskrivningar av svaret. Ett annat sätt att förstå hur koncentrerad mjuka material beter av jämvikt krävs därför.

Ett antal senaste studier9,10,11,12,13,14,15,16 har visat att material passera genom skiftande intra-cykel strukturella och dynamiska förändringar framkallas av större deformationer i den medelstor amplitud oscillerande skjuvning (MAOS)15,17 och stor amplitud oscillerande skjuvning (LAOS) regimer. De intra-cykel strukturella och dynamiska förändringarna har olika manifestationer, såsom brott på mikrostruktur, strukturella anisotropi, lokala omflyttningar, reformationen och förändringar i diffusivitet. Dessa fysiska förändringar för intra-cykel i ickelinjära regimen leda till de komplexa olinjära stressreaktioner som helt enkelt inte kan tolkas med de dynamiska moduli. Som alternativ kan har flera metoder föreslagits för tolkningen av de ickelinjära stressreaktioner. Vanliga exempel på detta är Fourier transform reologi (FT reologi)18, power serien expansioner11, Chebyshev Beskrivning19och sekvensen av fysikaliska processer (SPP)5,8, 13,14,20 analys. Även om alla dessa tekniker har visat sig vara matematiskt robust, är det fortfarande en obesvarad fråga om huruvida någon av dessa tekniker kan ge tydliga och rimliga fysiska förklaringar av ickelinjära oscillerande stressreaktioner. Det är fortfarande en utomordentligt stor utmaning att ge kortfattad tolkningar av reologiska data som korrelerar till strukturella och dynamiska åtgärder.

I en färsk studie analyserades den mjuka glasartade reologi (SGR) modell8 och en mjuk glas gjort av kolloidal stjärna polymerer7under oscillerande skjuvning ickelinjära stress svar genom SPP systemet. Tidsmässiga förändringar i elastiska och viskösa egenskaper inneboende ickelinjära stressreaktioner kvantifierades separat av de SPP moduli, Equation 3 och Equation 4 . Reologiska övergången representeras av de övergående moduli var dessutom exakt korrelerad till Mikrostrukturens förändringar representeras av fördelningen av Mesoskopisk element. I studien av SGR modell8, var det tydligt att reologiska tolkning via SPP systemet återspeglar de fysiska förändringarna under alla oscillerande skeva förhållanden de linjära och olinjära system för mjuk glasögon. Denna unika förmåga att ge korrekta fysiska tolkning av ickelinjära Svaren mjuk glasögon gör metoden SPP en attraktiv metod för forskare som studerar out-av-jämvikt dynamiken i polymerlösningar och andra mjuka material.

SPP systemet är byggt kring visning reologiska beteenden som förekommer i en tredimensionell rymd (Equation 5) som består av stammen (Equation 6), stam rate (Equation 7), och stress (Equation 8)5. I matematisk mening, behandlas stressreaktioner som flervariabla funktioner i stam och stam rate (Equation 9). Eftersom de reologiska beteenden betraktas som en bana i Equation 5 (eller en flervariabla funktion), ett verktyg för att diskutera egenskaperna för en bana krävs. I metoden SPP, de övergående moduli Equation 3 och Equation 4 spela en sådan roll. Den övergående elasticitetsmodulen Equation 3 och trögflytande modulus Equation 4 definieras som partiella derivator av stress med avseende på stammen (Equation 10) och stam (Equation 11). Efter fysiska definitionen av differentiell elastiska och viskösa moduli kvantifiera de övergående moduli stam och stam takt momentana inverkan på stress svar respektive, medan andra analysmetoder inte kan ge någon information om elastiska och viskösa egenskaper separat.

Metoden med SPP berikar tolkningen av de oscillerande skjuvprov. Med SPP analysen, kan komplexa olinjära reologiska beteenden av koncentrerade polymera lösningar i LAOS vara direkt relaterade till de linjära reologiska beteende i SAOS. Vi visar i detta arbete hur den maximala övergående elasticitetsmodulen (Equation 12max) nära stammen extrema motsvarar lagring modulus i linjära regimen (SAOS). Dessutom visar vi hur övergående trögflytande modulus (Equation 4) under en LAOS spår cykel steady-state flow kurvan. Utöver att tillhandahålla detaljer av den komplexa sekvensen av processer som koncentrerade polymerlösningar gå igenom under LAOS, ger SPP systemet också information om ersättningsgilla stammen i materialet. Denna information, som inte kan erhållas genom andra metoder, är ett användbart mått på hur mycket ett material kommer rekyl när stress avlägsnas. Sådant beteende påverkar tryckbarhet av koncentrerade lösningar för 3D utskrift program, samt screentryck, fiber bildandet och flödet upphör. Ett antal nyare studier5,8,13 visar tydligt att den ersättningsgilla stammen inte är nödvändigtvis samma som stammen som införts under LAOS experiment. En studie av mjuk kolloidal glasögon under LAOS13 har till exempel visat att den ersättningsgilla stammen är endast 5% när betydligt större total stam (420%) tas ut. Andra studier16,21,22,23,24 med bur modulus21 också ingå att linjär elasticitet kan observeras under LAOS på peka Stäng till de stam maxima, vilket innebär att materialet upplevt relativt liten deformation på dessa ögonblickar. SPP systemet är den enda ramen för förståelse LAOS att konton för en förskjutning i stam equilibriumen som leder till en skillnad mellan den ersättningsgilla och de totala stammarna.

Denna artikel syftar till att underlätta överenskommelser och användarvänlighet av analysmetoden som SPP genom att tillhandahålla ett detaljerat protokoll för en LAOS analys freeware, använda två koncentrerade polymerlösningar, en 4 wt % xantangummi (XG) vattenhaltig lösning och en 5 wt % PEO i DMSO lösning. Dessa system är valt på grund av deras breda sortiment av ansökan och rheologically intressanta egenskaper. Xantangummi, en naturlig hög molekylvikt polysackarid, är en exceptionellt effektiv stabilisator för vattenbaserade system och vanligen tillämpas som en livsmedelstillsats att ge önskad viscosification eller i oljeborrning öka viskositet och avkastning pekar av borrning borrslam. PEO har en unik hydrofil fastighet och används ofta i läkemedel och kontrollerad frisättning system samt jord förbättringsåtgärder. Dessa polymera system testas olika oscillerande skeva villkor som syftar till att tillnärma bearbetning, transport och användning för särskilda ändamål villkor. Även om dessa praktiska villkor inte kan nödvändigtvis innebär att flödet återföring som i oscillerande skjuvning, fältet flöde kan approximeras enkelt och trimmade med oberoende kontroll av tillämpad amplitud och införde frekvens i en oscillerande test. Dessutom kan SPP systemet användas som beskrivs här för att förstå ett brett spektrum av flödestyper, inklusive de som inte inkluderar flöde återföringar såsom-föreslog nyligen UD-LAOS25, där stor amplitud svängningar tillämpas i en endast riktning (leder till monikern ”uni-directional LAOS”). För enkelhet, och illustrativ begränsar vi den aktuella studien till traditionella LAOS, som omfattar periodiska flöde återföring. De uppmätta reologiska svar analyseras med metoden SPP. Vi visar hur du använder programvaran SPP med enkla förklaringar på salient beräkningssteg för att förbättra läsarnas förståelse och användning. En legend för tolkning av SPP analysresultat införs enligt vilket reologiska övergångstyp identifieras. Representant SPP analysresultatet av två polymerer olika oscillerande skeva villkor visas, där vi tydligt identifiera en sekvens av fysikaliska processer som innehåller information om materialets linjär viskoelastiska svar samt steady state flödet egenskaper för materialet.

Det här protokollet ger salient Detaljer för hur man korrekt utföra ickelinjära reologiska experiment samt en steg för steg guide att analysera och förstå reologiska svaren med SPP framework, som visas i figur 1. Vi börjar med att ge en introduktion till instrument inställning och kalibreringar, följt av specifika kommandon för att göra en kommersiellt tillgänglig reometer högkvalitativa övergående datainsamling. När de reologiska data har erhållits, införa vi SPP analys freeware, med en detaljerad manual. Vidare diskuterar vi hur man förstå tidsberoende svaret av de två koncentrera polymer lösningarna inom SPP systemet, genom att jämföra resultat från LAOS med linjär-regimen frekvens svep och steady state flow kurvan. Dessa resultat tydligt att de polymer lösningarna övergång mellan olika reologiska stater inom en svängning, vilket möjliggör en mer detaljerad bild av deras ickelinjära övergående reologi växa fram. Dessa data kan användas för att optimera bearbetningsvillkor för produkten bildandet, transport, och använda. Dessa tidsberoende-svar ytterligare ge potentiella vägar till tydligt form struktur-Boende-bearbetning relationer av koppling reologi med Mikrostrukturens information som erhållits från liten vinkel spridning av neutroner, röntgen eller ljus) SANS och SAXS SALS, respektive), mikroskopi eller detaljerade simuleringar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. reometer Setup

  1. Med den reometer som konfigurerats i SMT-läge (se anmärkning), bifoga övre och nedre bilresa geometrier. För att bibehålla så nära ett homogent skjuvning fält som möjligt, använda en 50 mm platta (PP50) som lägre fixturen och en 2-gradig kon (CP50-2) för övre fixturen.
    Obs: Reometer vi använder (se Tabell för material) kan konfigureras i antingen en kombinerad motor-givare (CMT) eller separat motor givaren (SMT) läge. Med bara en enda motor integrerade i reometer huvudet, det fungerar som en traditionell CMT stress-kontrollerade reometer och uppgifterna kräver tröghet korrigeringar. Med två motorer ingår i en SMT-läge, övre motorn fungerar enbart som en vridmoment givare och botten motorn fungerar som en drivenhet som därmed omvandla reometer till en typisk stam-kontrollerade reometer.
    1. Fäst botten och toppen geometrier.
    2. Klicka på knappen noll-gap i Kontrollpanelen.
    3. Navigera till starta servicefunktion under fliken mäta uppsättning på toppen. Kör den tröghet som kalibreringar för övre och nedre mätsystem, Funna i listmenyn.
    4. Kör justeringar för övre och nedre motorerna.
    5. Ange önskad temperatur på Kontrollpanelen.
      Obs: Måtten på där experiment på XG och PEO lösningar utförs är 25 ± 0,1 ° C och 35 ± 0,1 ° C, respektive.
  2. Ladda material av intresse ovanpå botten geometri med en spatel eller pipetten, se till att inga luftbubblor är fångas upp i provet.
    Obs: Ungefärliga mängder material som krävs för att helt fylla en geometri tillhandahålls i reometri programvaran under Inställningar | Mätsystem.
    1. Ladda 1.14 mL för att fylla konen-och-tallrik geometri. Ladda högre viskositet prover med en spatel, och mindre trögflytande material med en pipett.
      Obs: En spatel används för att ladda de polymer lösningarna.
    2. Kommandot mätsystemet till trim gap och försiktigt trimma överflödigt material vid kanten av geometri med en square-slutade spatel, säkerställa spateln förblir vinkelrät mot reometer axel.
      Obs: Kvaliteten på material laddar kommer att avsevärt påverka reologiska resultaten och eventuella uppenbara under - eller över - filling bör undvikas.
    3. Tryck på knappen Fortsätt i programvaran reometri att flytta till mätning gap.
      Obs: En komplett lastning process illustreras i figur 2.

2. kör oscillerande skjuvprov

Obs: Två sätt att köra oscillerande skjuvprov introduceras. Den första metoden är avsedd för sinusformade spänningar och stammar bara och användes för att samla in de uppgifter som vi rapporterar här. Den andra metoden gör att godtyckliga stress eller stam scheman kan ställas in.

  1. Sinusformad oscillerande skjuvning
    1. Navigera till Stor amplitud oscillerande skjuvning-LAOS under mina appar i programvaran. Gå till rutan mätning och klicka stam variabel.
    2. Ange ursprungliga (1%) och slutliga värden (4.000%) av en stam amplitud sopa. Ange den påtvingade frekvensen av 0.316 rad/s. definiera önskat totala antal stam amplituder som 16 i intervallet angiven amplitud, vilket resulterar i punkt tätheten av 5 poäng per decennium.
    3. Markera rutan få vågformen överst för att samla in övergående svar.
    4. Klicka på start -knappen längst upp att starta experimenten och raw-data kommer att visas i programvaran reometri automatiskt.
  2. Godtyckliga Stress eller stam scheman
    1. För att införa godtycklig definierade deformation, klicka på vågform sine generator under mina appar i programvaran.
    2. Definiera en lista med stam-värden som motsvarar till den funktion som ska tillämpas (inte begränsat till sinusvågform). Generera värdelistan i ett externt program.
    3. Klicka på Redigera under stam värdet i rutan mätning. Kopiera och klistra in dessa nummer i värdelistan.
    4. Ange antal datapunkter, punkt varaktighet och tidsintervall att justera påtvingade frekvensen. Exempelvis anger antalet datapunkter och intervalltiden som 512 punkter och 6.2832 s, respektive om en cykel av sinusformade stam klistras in stam värdelista med 512 punkter och frekvensen av 1 rad/s önskas.
      Obs: Denna metod rekommenderas inte för att köra sinusformad oscillerande skjuvning på grund av det begränsade antalet oscillerande cykler, och även på grund av det faktum att automatiska korrigeringar som är aktiverade i en oscillerande testläge på reometer är inaktiverade i detta läge. Ändå, eftersom det finns inga antaganden sinusformad belastning inbyggd i SPP framework, kan man godtyckligt definiera påtvingade stam funktioner enligt bearbetningsförhållandena eller slutanvändning material kan uppstå, och SPP ram resterna gällande att analysera de reologiska Svaren.
    5. Markera rutan få vågformen överst. Klicka på start -knappen längst upp att starta experimenten.

3. utföra SPP analys (SPP-LAOS programvara)

Obs: Programvaran SPP analys är ett MATLAB-baserade freeware paket för att analysera reologiska data med SPP ramen och bifogas som kompletterande filer 1\u2012621.

  1. Formatera datafiler för att tabbavgränsad text (.txt) som består av fyra kolumner i beordra av {tid (s), stam (-), Betygsätt (1/s), Stress (Pa)}.
    Obs: Användare kan behöva ändra antalet sidhuvudet rader i filerna funktion för att kunna bearbeta sina data. Se prov datafiler (kompletterande filer 7\u20129).
  2. Du kör SPP-LAOS programvara, öppna m-filen som heter RunSPPplus_v1.m i MATLAB.
    Obs: RunSPPplus_v1.m är den huvudsakliga skriften för att köra analysen, paketet innehåller andra funktion filer som anropas från huvudscriptet, inklusive SPPplus_read_v1.m, SPPplus_fourier_v1.m, SPPplus_numerical_v1.m, SPPplus_print_v1.m och SPPplus_figure_v1.m.
  3. Navigera till avsnittet märkt användardefinierade variableroch ange följande variabler.
    1. Filnamn: Ange namnet på .txt-fil som ska användas för SPP analys.
      Obs: Filen måste matcha kravet på ovanstående format.
    2. Kör staten: placera vektorn som [1, 0] för att köra Fourieranalys läge för vanliga oscillerande skjuvning svar.
      Obs: Programvaran sysselsätter två olika metoder för beräkning av de momentana SPP moduli, Equation 3 och Equation 4 , baserat på Fourier omvandling och numerisk differentiering. Den Fourier transform strategin är utformad för periodiska inmatning, till exempel oscillerande skjuvprov. Godtyckliga tidsberoende tester, vilket inkluderar, men begränsas inte till sinusformad protokoll, kan analyseras med numerisk differentiering strategi.
    3. Kör staten: ingång vektor som [0, 1] för att köra numeriska-differentiering analysläge för godtyckliga tidsberoende tester.
    4. Omega (Fourier-analys): Ange kantiga frekvensen av svängningen, med enheter på rad/s.
    5. M (Fourier-analys): definiera antal högre övertoner som ska inkluderas i SPP analysen. Justera detta nummer för att inkludera alla de högre övertoner över buller golvet.
      Obs: Detta nummer måste vara ett positivt udda tal och varierar med amplitud och material. Vi inkluderar upp till 3: e harmoniska i MAOS regimen, och den 55: e harmoniska på största amplituden undersökt.
    6. p (Fourier-analys): Ange det totala antalet perioder för att mäta tid i indata, vilket måste vara ett positivt heltal.
      Obs: De fler perioderna av data som samlas in, ju högre tidsupplösning av SPP parametrar.
    7. k (numerisk differentiering): definiera storleken steg för numerisk differentiering, som måste vara ett positivt heltal.
    8. num_mode (numerisk differentiering): ange num_mode för att vara ”0” (standard differentiering) eller ”1” (loopas differentiering).
      Obs: Det finns två förfaranden som genomförts i numerisk differentiering systemet. ”Standard differentiering” gör inga antaganden om form av data. Det använder en framåt skillnad för att beräkna derivatan för första 2 000 poäng av data, en bakåt skillnad för de slutliga 2 000 poäng och en centrerad skillnad någon annanstans. Den ”loopas differentiering” förutsätter att data tas under steady state periodiska förhållanden och innehåller ett heltal antal perioder. Dessa antaganden kan en centrerad skillnaden beräknas överallt genom att loopa över ändarna av data.
    9. Välj knappen kör överst när alla variabler anges.
      Obs: Programmet kommer att beräkna alla SPP mätvärden är associerad med data, och sedan Visa siffror associerade med den aktuella analysen körningen och utdata en textfil som innehåller alla beräknade SPP mätvärden för vidare analys.
    10. Iterativt justera antalet övertoner som ska inkluderas i analysen från utdata Fourier spektrum. Inkludera alla högre udda övertoner över buller golvet.

4. tolka LAOS svar

  1. Navigera till Cole-Cole handlingen i de momentana SPP moduli Equation 3 och Equation 4 som genereras automatiskt av SPP programvara.
    Obs: En kurva i Cole-Cole handlingen anses banan för tillståndet viskoelastiska material och tolkningar kan bildas inom en svängning, i intra-cykel processer eller mellan på varandra följande perioder mellan cykel processer.
  2. Tolka stelhet genom den momentana elasticitetsmodulen,Equation 13, och en ökning/minskning av Equation 3 som anger att stelna/mjukgörande. Se figur 3.
  3. Tolka en materialets viskositet baserat på momentana trögflytande modulus, Equation 4 . En förändring i denna parameter representerar förtjockning/gallring.
  4. Flytta fokus till en annan Cole-Cole tomt på tid derivat av övergående moduli Equation 14 och Equation 15 , som ger kvantitativ information om hur mycket ett svar stelhet (Equation 16), mjukgörande (Equation 17), förtjockning (Equation 18), gallring ((Equation 19)). Se figur 3.
    Obs: Med värden för derivat, där materialet genomgår stelna/mjukgörande eller förtjockning/gallring kan kvantitativt fastställas.
  5. Läs i mitten av en bana (i ett tidsvägt genomsnitt bemärkelse) i Cole-Cole handlingen i Equation 20 som de dynamiska moduli, [Equation 1Equation 21].
    Obs: De dynamiska moduli är i genomsnitt parametrar över en cykel av deformation och är otillräckliga för att ge lokal information under LAOS.
  6. Spåra den relativa rörelsen av banan över amplituder att förstå mellan cykel fysiken.
    Obs: Med fokus på släktingen vinkar av tidsvägt genomsnitt center motsvarar en traditionell stam amplitud svep av de dynamiska moduli. Dock kan man enkelt analysera förslaget över amplitud andra specifika punkter, exempelvis den stam extrema.
  7. Avgöra den övergående differentiell viskositeten Equation 22 och overlay det ovanpå en steady-skjuvning flöde kurva. Jämför den LAOS transientsvar med steady-skjuvning villkor.
  8. Fastställa punkterna av maximala Equation 12 vid de stora amplituderna i Cole-Cole handlingen i Equation 20 . Se stjärnan märkt i figur 4 c.
    1. Registrera värdena för Equation 23 på dessa ögonblickar.
    2. Rita dem ovanpå amplitud svep av de dynamiska moduli. Se figur 4 d.
      Obs: Uppmärksamma någon korrespondens mellan den maximala övergående elasticitetsmodulen och det linjära viskoelastiskt Equation 1 .
  9. Leta upp ögonblickarna av maximala Equation 12 i den elastiska Lissajous figur och registrera motsvarande stam värden. Se stjärnan märkt i figur 4a.
  10. Om Equation 24 , sedan bestämma jämvikt stammen Equation 25 och elastisk stammen Equation 26 .
    Observera. Med slagvolym stressen Equation 27 , när Equation 28 jämvikt stammen kan fastställas som Equation 29 och elastisk stammen kan därför bestämmas som skillnaden mellan stam och jämvikt anstränga5,13 . Kravet på Equation 24 härleds och diskuterade någon annanstans15.
  11. Rita den elastiska stammen som en funktion av påtvingade stam amplituden. Se figur 4e. Om den elastiska stammen är oberoende av stam amplituden, sedan ange denna kritiska stam på amplituden svepet som i figur 4 d.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Representativa resultat av SPP analysen från XG och PEO/DMSO lösningar under oscillerande skjuvprov presenteras i figurerna 4 och 5. Vi presenterar först rådata som resår (Equation 30) och trögflytande (Equation 31) Lissajous-Bowditch kurvor i figurerna 4a, 4b, 5a och 5b. För att fullt förstå intra-cykel fysiken, presenteras tidsberoende Cole-Cole tomterna erhållits från SPP freeware i figur 4 c och 5 c. Tolkningar av tomterna diskuteras på det sätt som anges av legenden i figur 3 och protokollet steg 4.2-4.7, där den relativa rörelsen av spårningen kvantitativt indikerar om materialet genomgår stelna/mjukgörande eller förtjockning / gallring i en intra-cykel-känsla. Tidsvägt centrerar av dessa banor, som representerar de genomsnittliga elastiska och viskösa moduli, motsvarar de dynamiska moduli, Equation 1 och Equation 32 , visas i figur 4 d och 5 d. Vid stora deformationer är genomsnittliga parametrar otillräckliga för att beskriva den materiella responsen vid varje särskilt ögonblick. Bildar en bro mellan reologiska data och Mikrostrukturens utveckling har visat sig vara en svår uppgift. Mikrostrukturens information som erhållits från scattering9,26 eller simulering heller12 är ofta tid-löst och kräver en reologiska studie som matchar den temporal upplösningen. En mer fullständig diskussion om länkningen makroskopiska SPP analys och Mikrostrukturens Detaljer kan hittas i en färsk studie av mjuka glasartade material8.

Använder SPP, har vi även möjlighet att avgöra den elastiska ersättningsgilla stammen i stunder när det materiella Svaren är huvudsakligen elastisk. I synnerhet svarar gel-liknande struktur XG på sätt som påminner om mjuka glasartade material, där Svaren går igenom ögonblickar av linjär-regimen viskoelasticitet över de stora amplituderna som visas i figur 4 d. Faktiskt, vi identifiera den momentana SPP elasticitetsmodulen vid stora amplituder i den XG-lösning som är mer än tre storleksordningar större än den traditionella lagring modulen, visar en klar fördel av de lokala åtgärderna. Liknande resultat har observerats i studier av mjuk kolloidal glasögon16,21,22,23,24, där pekar av linjär-liknande elasticitet också äga rum på platser nära den Sila extrema. Detta indikerar att materiella equilibriumen är väl separerat från den plats där experimentet började, på noll stam. Med SPP analysen visas det i figur 4e att elastisk ersättningsgilla stammen vid tidpunkten för maximal elasticitet förblir nästan konstant på 16%, även när tillämpad stammen är lika stor som 4.000%. Denna konstant ersättningsgilla stam av cirka 16% motsvarar den kritiska stam amplituden, Equation 33 , ovan vilken olinjära beteende observeras i stam amplitud svep av figur 4 d.

När det gäller PEO lösningen visas den maximala övergående elasticitetsmodulen över olika amplituder i figur 5 d. Vi identifierar, använder metoden SPP, en ökande styvhet som amplitud ökar, medan lagring modulus visar endast mjukgörande. Vid de största amplituder utforskad, identifierar vi en momentan modulus som är mer än en storleksordning större än traditionellt definierade lagring modulus. Omfattningen av de övergående elastiska och viskösa moduli är jämförbara på ögonblickarna av största elasticitet, vilket innebär att villkoret för SPP att korrekt identifiera den elastiska stammen inte är uppfyllda.

Den stora fördelen med kvantitativa SPP stödordningen är att elastiska och viskösa egenskaper kan tydligt fastställas vid varje tidpunkt i cykeln. I föregående avsnitt fastställdes det att på ögonblickar nära den stam extrema, XG lösningen svarar som om det är i dess linjära viskoelastiska gräns medan PEO lösningen visar en modul som är marginellt större än som uppvisade i linjära regimen. Vi nu rikta vår uppmärksamhet mot nästa stora komponenten i sekvensen av fysikaliska processer ut av både polymerlösningar, villkoret flöde.

Övergående differentiell viskositeten, definierat som övergående trögflytande modulus dividerat med frekvensen, Equation 34 visas i figur 6 ovanpå steady-skjuvning flöde viskositet, är beslutsam från oberoende steady-skjuvprov. Ett liknande svar observeras från både material, där de övergående differentiell viskositeter initialt förblir konstanta priser för låg skjuvning, följt av ett överskridande, innan minskar snabbt. De övergående differentiell viskositeter av båda lösningar förändring med skeva Betygsätt ungefär samma som steady-skjuvning flöde viskositet, om än med övergående differentiell viskositet som är något nedanför de steady-state-förhållandena. Steady-skjuvning flöde svaret kan ses som en LAOS experimentera i gränsen på noll frekvens; dock med SPP analys system, kan övergående flöde beteenden på någon godtycklig påtvingade frekvens kvantitativt konstrueras.

Den distinkta sekvensen av fysikaliska processer utställda av XG med en stam amplitud på 4000% visas i figur 7, där symbolerna uppdelad Lissajous-Bowditch kurvan i olika processer av intresse. Vi börjar i regionen märkta som region #1, som vi identifierar som viscoplastic i naturen. I det här intervallet av svar, SPP analys systemet visar nästan noll elasticitet, som bestäms av Equation 3 , som indikerar ingen stam-beroende till stress. Den skeva kursen börjar att minska nära den stam extremum, stelnar XG lösningen, vilket indikerar att strukturen som ansvarar för linjär viskoelastiska svar börjar att reformen. Vi kallar detta 'omstrukturering'. Elastisk ersättningsgilla stammen på denna punkt, är på omkring 16 procent, mycket mindre än den totala deformation, vilket överensstämmer med den linjära-regimen viskoelasticitet dessa gel-liknande och andra glasartade system. En snabb övergång från resår till trögflytande beteenden, som påminner om framställning eller fördärvande, äger rum en gång tillräckligt stam förvärvas från återföring, och följs av en stress översväng, under vilken det finns en kraftig förändring i de övergående moduli. Under del av överskridandet när stressen minskar, momentana trögflytande modulus, Equation 35 är ögonblickligt negativ, återspeglar den minskande stressen med ökande shear rate. Delar av negativa Equation 35 observeras därför inte i PEO lösningar på grund av deras bristande överskridande. Slutligen, systemet går tillbaka till viscoplastic deformation regimen och erfar den distinkta intra-cykel sekvensen två gånger över en cykel av svängningen.

Figure 1
Figur 1: en schematisk att illustrera en komplett process av utföra, analysera och förstå reologiska experiment. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: detaljerad procedur för lastning material. (en) bifoga den lägre (PP50) och övre (CP50-2) geometrier följt av ställa in noll-gap position. (b) belastning materialet på mitten av nedre plattan med en pipett eller spatel samtidigt undvika bubblor. (c), kommandot övre geometri att trimma gap. Liten överfyllning förväntas i detta steg såvida pipettering med exakt volym. Underfilling bör förhindras. (d) försiktigt trimma faställts vid kanten av geometrier med en square-slutade spatel. (e) Fortsätt till mätning klyftan bara när lastning och trimning är bra, så att ingen underfilling observeras i ytterkanten av geometri och kanterna Visa inga distinkta frakturer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: banor i tidsberoende Cole-Cole tomter kan tolkas genom dessa legender. (en) Cole-Cole tomt i Equation 20 -utrymme, (b) i Equation 20 -utrymme. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: SPP-LAOS analys från 4 wt % XG lösningen på frekvensen av 0.316 rad/s. Raw-data presenteras som resår (en) och trögflytande (b) Lissajous-Bowditch kurvor. (c), Cole-Cole tomt på övergående moduli Equation 37 , där de streckade linjerna representerar de linjära-regimen dynamiska moduli. (d), övergående moduli bestämmas vid tidpunkten för maximal elasticitet som en funktion av stam amplituder. (e), elastiska ersättningsgilla stam på ögonblick av maximala Equation 3 som en funktion av stam amplitud. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5: SPP-LAOS analys från 5 wt % PEO i DMSO lösning på frekvensen av 1,26 rad/s. (en) resår och (b) trögflytande Lissajous-Bowditch kurvor. (c), Cole-Cole tomt på övergående moduli Equation 37 , där de streckade linjerna representerar de linjära-regimen dynamiska moduli. (d), dynamiskt moduli som en funktion av stam amplituder. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6: övergående differentiell viskositeten ritas ovanpå steady-skjuvning flow kurvan från XG (a) och PEO/DMSO (b) systemen. Linjerna visar övergående differentiell viskositet Equation 22 bestäms från LAOS tester medan star symbolerna representerar steady-skjuvning flöde viskositet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 7
Figur 7: sekvensen av fysikaliska processer under LAOS från XG solutions. De symboler som visas på elastisk Lissajous-Bowditch kurvor (en) motsvarar de i tidsberoende Cole-Cole tomten av övergående moduli (b). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Vi har visat hur man korrekt utföra stor amplitud oscillerande reometri skjuvprov använder en kommersiell reometer, och att köra SPP analys freeware för att tolka och förstå de ickelinjära stressreaktioner i två distinkta polymerlösningar. Ramen för SPP, som tidigare har visat sig korrelera med strukturförändringar och underlätta förståelser av talrika kolloidala system, kan tillämpas lika på polymera system. Svaren från två koncentrerade polymera lösningar till LAOS har undersökts med hjälp av SPP systemet, som reologiska Svaren visas i att ställa ut komplexa sekvenser av processer. Dessa övergående intra-cykel tolkningar ger viktig information om ickelinjär out-av-jämvikt beteenden av polymera lösningar och ge riktlinjer för ingenjörer att förbättra konsumentprodukter med önskade egenskaper eller till transport system mer effektivt.

Gel-liknande XG lösningen och intrasslad PEO stamlösning uppvisar distinkta fysiska processer som ger tydliga distinktioner mellan sina respektive ickelinjära beteenden. Medan den maximala övergående elasticitetsmodulen av XG är i huvudsak oförändrad över de påtvingade amplituderna, påminner om mjuka glasartade material som uppvisar caging dynamik, PEO lösningen visar karaktäristiskt lokala förstärkningar som är bättre beskrivs av finite-utökningsbarhet begrepp normalt tillämpas till polymera system. Som en följd processer som inbegriper varje material skulle bäst approximeras med glasartad och ändligt extensible ickelinjära resår (FENE)-Skriv modeller. Förutom hur maximal elasticitet förändras med tillämpad stam amplitud, övergående differentiell viskositet från de två systemen visar liknande beteenden, med uppenbara översvängningar hög skjuvning och billigt identifieras före skjuvning gallring. PEO lösningen visas dock en lägre övergående differentiell viskositet än de steady-state-förhållandena, medan XG lösningen uppvisar ingen markant skillnad mellan fast och dynamisk klippning. Vi har därför identifiera olika pre gav processer, men liknande efter avkastning egenskaper i de två polymera system. I båda fallen kan identifiera vi efter gav villkor som är nästan omöjlig att skilja från stadig klippning, visar att det inte är nödvändigt att gå till gränsen för noll frekvens i LAOS att få tillförlitlig information om flödet egenskaper för mjuka material.

Vi identifierar de ickelinjära reologiska sekvensen som innehåller information om den linjär viskoelasticitet, övergående flöde kurvorna och den kritiska stam som är ansvarig för ickelinjära beteenden. Denna kongruens information som erhållits via SPP strategi är inte möjligt med någon av FT-baserade metoder, som behandlar oscillerande klippning som en reologiska specialfall, med tolkningar som inte är tillämpliga på andra experimentella protokoll. Däremot metoden SPP utsikt över alla material Svaren ekvivalentt, ger en tydlig mekanism för direkta jämförelser inom en rad olika tester, som de här. Vi visar att elastisk ersättningsgilla stammen är ungefärligt konstant vid tidpunkten för maximal elasticitet för en xantangummi lösning, och detta ständiga elastisk påfrestningar är vägledande av den kritiska stammen av ickelinjära regim. Vi visar också att övergående flöde kurvorna kan konstrueras från resultaten av SPP analysen. I en enda LAOS test på en koncentrerad polymera lösning som använder metoden SPP, vi kan därför tryggt bestämma linjär viskoelastiska svaret på det frekvensen, delar av steady state flow kurvan som motsvarar de villkor som ålagts, och amplituden över vilket svar blir ickelinjära. Övergripande, detta arbete ger en allmän strategi för att utföra och förstå ickelinjära reologiska beteenden av mjuka material, med särskild tonvikt på polymerlösningar. Det synsätt som beskrivs i detta arbete ger en lätt att implementera metod som ger tydlig korrelation mellan små och stora amplitud deformation bulk reologi, som kan användas för att bistå i rationell design och optimering av material under flöde .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Författarna tackar Anton Paar för användning av de MCR 702 reometer genom deras VIP akademisk forskningsprogram. Vi tackar också Dr Abhishek Shetty för kommentarer i instrumentet setup.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Gupta, N., Zeltmann, S. E., Shunmugasamy, V. C., Pinisetty, D. Applications of Polymer Matrix Syntactic Foams. JOM. 66 (2), 245-254 (2013).
  3. Garcıa-Ochoa, F., Santos, V. E., Casas, J. A., Gómez, E. Xanthan gum: production, recovery, and properties. Biotechnology Advances. 18 (7), 549-579 (2000).
  4. 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).
  5. Rogers, S. A. In search of physical meaning: defining transient parameters for nonlinear viscoelasticity. Rheologica Acta. 56 (5), 501-525 (2017).
  6. Ferry, J. D. Viscoelastic properties of polymers. , John Wiley & Sons. (1980).
  7. Bird, R. B., Armstrong, R. C., Hassager, O. Dynamics of Polymeric Liquids. Volume 1: Fluid Mechanics. , John Wiley & Sons. New York. (1987).
  8. Park, J. D., Rogers, S. A. The transient behavior of soft glassy materials far from equilibrium. Journal of Rheology. 62 (4), 869-888 (2018).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Bharadwaj, N. A., Ewoldt, R. H. Constitutive model fingerprints in medium-amplitude oscillatory shear. Journal of Rheology. 59 (2), 557-592 (2015).
  18. Wilhelm, M. Fourier‐Transform Rheology. Macromolecular Materials and Engineering. 287 (2), 83-105 (2002).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).

Tags

Indragning fråga 146 reologi LAOS mjuk materia viskoelastiska viscoplastic
Studera stor amplitud oscillerande skjuvning svar av mjuka material
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Ching-Wei Lee, J., Park, J. D.,… More

Ching-Wei Lee, J., Park, J. D., Rogers, S. A. Studying Large Amplitude Oscillatory Shear Response of Soft Materials. J. Vis. Exp. (146), e58707, doi:10.3791/58707 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter