Büyük genlik salınım kesme yanıt yumuşak malzeme eğitim
Summary
Biz doğrusal olmayan salınım kesme Reolojisi yumuşak materyaller üzerinde gerçekleştirmek ve yanıtları fiziki süreçlerin bir dizi anlamak için SPP-LAOS analizler özetleyen bir detaylı iletişim kuralı mevcut.
Abstract
Biz büyük genlik salınım (LAOS) polietilen oksit (PEO) Dimetil sülfoksit (DMSO) ve xanthan sakız su kesme sırasında sergilenen fiziksel işlemler dizisi araştırmak — iki konsantre gıdalar, viscosifiers olarak kullanılan polimer çözümleri Gelişmiş petrol kurtarma ve toprak düzeltme. Yumuşak malzeme doğrusal olmayan rheological davranışını anlamak tasarımında önemli ve birçok tüketici ürünlerinin üretim kontrol. Bu yanıt için LAOS bu polimer çözümlerin viscoplastic deformasyon ve arka için doğrusal alakalıdır bir dönemde daha açık bir geçiş açısından nasıl yorumlanabilir gösterilir. LAOS sonuçları analiz üzerinden ücretsiz MATLAB tabanlı yazılım kullanarak tam nicel sıra, fiziksel süreçleri (SPP) tekniği vardır. Detaylı bir protokol ile ticari bir rheometer LAOS ölçüm yapmak, doğrusal olmayan stres yanıt-e doğru belgili tanımlık freeware ile çözümleme ve yorumlama fiziksel işlemler LAOS altında sunulmaktadır. Daha fazla SPP çerçevede LAOS yanıt doğrusal alakalıdır, geçici akış eğrileri ve kritik yük nonlinearity başlangıcı için sorumlu ile ilgili bilgi içeren gösterilmiştir.
Introduction
Konsantre polimer çözümler çeşitli endüstriyel uygulamalarda viskozite gıdalar1 ve diğer tüketici ürünleri2, Gelişmiş petrol kurtarma3ve toprak düzeltme4içinde de dahil olmak üzere, öncelikle artırmak için kullanılır. Onlar mutlaka onların işleme ve kullanım sırasında bir dizi zaman ölçeği üzerinde büyük deformasyonlar tabi tutulmaktadır. Bu tür işlemler altında onlar akışı veya deformasyon koşulları1üzerinde bağımlı olan zengin ve karmaşık doğrusal olmayan rheological davranışlar göstermektedir. Bu karmaşık doğrusal olmayan rheological davranışlarını anlama başarıyla süreçleri kontrol, üstün ürünleri tasarımı ve enerji verimliliği maksimize etmek için esastır. Endüstriyel önemini bir yana, büyük bir denge uzak Polimer malzemelerin rheological davranışlarını anlama akademik ilgi vardır.
Salınım kesme testlerdir her ayrıntılı rheological karakterizasyonu zımba bir bileşenidir zorlanma ve gerilme oranı5ortogonal uygulanması nedeniyle ve bağımsız uzunluk ve zaman kontrol yeteneği ayarlama tarafından Problu ölçekler genlik ve frekans. Bir malzemenin iç yapısını bozmamaya için küçük, küçük genlik salınım kesme suşları için stres tepkisi bileşenlerine mikrobu ile faz ve gerilme oranı ile faz çürümüş. Zorlanma ve gerilme oranı faz bileşenlerinde katsayıları topluca dinamik dönmeler6,7ve depolama modülü olarak ayrı ayrı denir 
ve kaybı modülü, 
. Dinamik dönmeler elastik ve yapışkan yorumlara açık yol. Ancak, bu dinamik dönmeler dayalı yorumlar için sinüsoidal uyarilmalar stres yanıtlarını Ayrıca sinüsoidal nerede sadece küçük zorlanma genlikleri geçerlidir. Bu rejim genellikle küçük genlik salınım kesme (SAO’lar) veya doğrusal viskoelastik rejimi olarak adlandırılır. Dayatılan deformasyon daha büyük hale geldikçe, değişiklikleri hangi sinüsoidal olmayan geçici stres yanıt-e doğru8karmaşıklığı yansıtılır malzeme mikroyapıda indüklenen vardır. Daha yakından endüstriyel işleme ve tüketici kullanım koşulları taklit eder, rheologically doğrusal olmayan bu rejim içinde dinamik dönmeler zavallı açıklamalarını yanıt hareket. Anlamak için başka bir yol dışarı-in yoğunlaştırılmış yumuşak malzeme davranır nasıl denge bu nedenle gereklidir.
Son çalışmalar9,10,11,12,13,14,15,16 , birkaç malzeme geçmesine göstermiştir çeşitli içi döngüsü yapısal ve dinamik değişiklikleri (LAOS) rejimler orta genlik salınım kesme (MAOS)15,17 ve büyük genlik salınım makaslama daha büyük deformasyonlar tarafından elde edildi. Intra-döngüsü yapısal ve dinamik değişiklikleri Mikroyapı, yapısal anizotropi, yerel düzenlemeler, reformasyon ve değişiklikleri kırılma gibi farklı tezahürlerine içinde yayınım var. Doğrusal olmayan rejimi bu içi döngüsü fiziksel değişimler ile dinamik dönmeler sade bir şekilde yorumlanamaz karmaşık doğrusal olmayan stres yanıt-e doğru yol. Alternatif olarak, doğrusal olmayan stres yanıt-e doğru yorumlanması için birkaç yaklaşım önerdi. Fourier dönüşümü Reolojisi (FT Reolojisi)18, kuvvet serisi Açılımları11, Çebışov açıklaması19ve fiziki süreçlerin (SPP)5,8dizisi bu ortak örnekleri, 13,14,20 analizi. Tüm bu tekniklerin matematiksel olarak sağlam olduğu gösterilmiştir, hala olup olmadığını aşağıdaki tekniklerden birini doğrusal olmayan salınım stres yanıt-e doğru açık ve makul fiziksel açıklamalarını sağlayabilir bir cevapsız soru olsa da. Bu özlü yorumların yapısal ve dinamik önlemler için aralarındaki ilişkileri belirlemektir rheological veri sağlamak için üstün bir meydan kalır.
Bir son çalışmada, doğrusal olmayan stres tepkisi yumuşak camsı Reolojisi (SGR) modeli8 ve kolloidal yıldız polimerler7salınım kesme altında yapılmış bir yumuşak cam SPP program aracılığıyla analiz edildi. Elastik ve yapışkan özellikleri doğrusal olmayan stres yanıt doğal geçici değişiklikler ayrı ayrı SPP stüdyosu tarafından sayısal 
ve 
. Ayrıca, geçici stüdyosu tarafından temsil rheological geçiş doğru bir şekilde mezoskopik öğeleri dağıtım tarafından temsil edilen microstructural değişikliklere korelasyon. SGR modeli8çalışmada, bu açıkça o rheological yorumu aracılığıyla SPP şeması doğru her koşulda salınım kesme doğrusal ve doğrusal olmayan rejimler içinde yumuşak gözlük için fiziksel değişiklikleri yansıtan gösterilmiştir. Fiziksel yorumlanması doğru yumuşak gözlük doğrusal olmayan yanıt sağlamak için bu benzersiz yeteneği SPP yöntem polimer çözümleri denge dinamikleri ve yumuşak malzemelerde araştırmacılar için çekici bir yaklaşım getirir.
SPP düzeni olarak üç boyutlu bir uzayda meydana gelen rheological davranışları ile ilgilenen etrafında inşa edilmiştir (
) suşu oluşur (
), baskı hızı (
) ve stres (
)5. Bir matematiksel anlamda stres yanıt çok değişkenli fonksiyonların zorlanma ve gerilme oranı kabul edilir (
). Rheological davranış bir yörünge kabul edilir gibi (veya çok değişkenli fonksiyon), bir araç bir yörünge özellikleri tartışmak için gereklidir. SPP yaklaşımda, geçici dönmeler ve böyle bir rol oynamaktadır. Geçici elastik modül ve viskoz modül kısmi türevlerini stres zorlanma ile ilgili olarak tanımlanır (
) ve gerilme oranı (
). Diğer analiz yöntemleri herhangi sağlayamaz, ancak fark elastik ve yapışkan dönmeler fiziksel tanımının, geçici dönmeler stres tepkisi anlık etkisi zorlanma ve gerilme oranı sırasıyla ölçmek Elastik ve yapışkan özellikleri hakkında bilgi ayrı ayrı.
SPP yaklaşım salınım kesme testleri yorumlanması zenginleştiriyor. SPP analizi ile Laos konsantre polimer çözümleri karmaşık doğrusal olmayan rheological davranışlarını doğrudan SAO’lar de doğrusal rheological davranışları için ilgili olabilir. Biz bu çalışmada göstermek nasıl maksimum geçici elastik modül (
max) zorlanma extrema depolama modülü doğrusal rejim (SAO’lar) karşılık gelir. Ayrıca, biz göstermek nasıl geçici viskoz modülü () sırasında bir LAOS döngüsü kararlı duruma akışı eğrisi izler. Ayrıntılar, polimer çözümleri konsantre süreçleri karmaşık dizi LAOS altında gitmek-den geçerek sağlayan ek olarak SPP düzeni de kurtarılabilir zorlanma malzeme ile ilgili bilgi sağlar. Diğer yaklaşımlar elde edilebilir değil, bu bilgiler bir kez stres çıkarmak ne kadar malzeme geri tepme bir yararlı ölçüsüdür. Böyle bir davranışı 3D yazdırma uygulamaları, hem de emprime baskı, fiber oluşumu ve akış bırakma konsantre çözümleri baskıya üzerinde etkisi vardır. 5,8,13 açıkça belirtmek kurtarılabilir zorlanma mutlaka değil son yıllarda yapılan çalışmalarda bir dizi zorlanma ile aynı LAOS deneyler sırasında empoze. Örneğin, bir çalışma LAOS13 altında yumuşak kolloidal gözlük önemli ölçüde daha büyük toplama zorlanma zaman (%420) kurtarılabilir zorlanma sadece % 5 bulundu uygulanmaktadır. Diğer çalışmalarda da kafes modülü21 kullanarak16,21,22,23,24 sonuçlandırmak doğrusal elastikiyet noktada LAOS altında görülebilir kapatın malzemeler bu Instants de nispeten küçük deformasyon deneyimli ima zorlanma maxima için. SPP şeması anlama LAOS kurtarılabilir ve toplam suşları arasında bir fark neden yük denge bir kayma için bu hesapları için tek bir çerçeve vardır.
Bu makalede mutabakatların ve rahatlık-in kullanma SPP analiz yönteminin iki konsantre polimer çözüm, bir 4 wt % xanthan sakız (XG) sulu çözüm ve DMSO çözüm içinde 5 wt % PEO kullanarak LAOS analiz freeware, detaylı bir protokol sağlayarak kolaylaştırmayı hedefliyor. Bu sistemler onların geniş bir uygulama ve rheologically ilginç özellikleri nedeniyle tercih edilmektedir. Xanthan sakız, doğal yüksek molekül ağırlıklı polisakkarit sulu sistemler için son derece etkili bir sabitleyici ve yaygın bir gıda istenen viscosification sağlamak için katkı maddesi olarak mı yoksa petrol sondaj noktaları verim ve viskozite artırmak için uygulanan muds sondaj. PEO benzersiz hidrofilik birözelliðe sahiptir ve eczacılık ürünleri ve kontrollü yayın sistemleri hem de toprak düzeltme faaliyetleri sık sık kullanılır. Bu polimer sistemleri işleme, taşıma ve son kullanım koşulları yaklaştırmak için amaçlanan çeşitli salınım kesme koşullar altında test edilir. Her ne kadar pratik bu koşullar mutlaka akış ters olduğu gibi salınım kesme içerebilir değil, akışı alanı kolayca yaklaşık ve uygulamalı genlik bağımsız denetimle ayarlı ve frekans salınım testi empoze. Ayrıca, SPP düzeni burada açıklandığı şekilde akış türleri, büyük genlik salınımlarını uygulanma birinde son zamanlarda önerilen UD-LAOS gibi25, akış ters dahil etmeyin de dahil olmak üzere geniş bir anlamak için kullanılabilir Sadece yön (takma adı “tek yönlü LAOS” için önde gelen). Basitlik ve görsel amacıyla periyodik akış ters dahil geleneksel LAOS için çalışmada kısıtlayın. Ölçülen rheological yanıt SPP yaklaşımı ile analiz edilir. Biz SPP yazılım en göze çarpan hesaplama basamaklarını basit açıklamalar ile okuyucuların anlayış ve kullanım artırmak için nasıl kullanılacağını gösterir. SPP çözümleme sonuçlarını yorumlamak için bir efsane tanıttı, hangi rheological geçiş türüne göre tanımlanır. Temsilcisi SPP analiz sonuçları çeşitli salınım kesme koşullar altında iki polimerlerin görüntülenir, hangi biz net bir şekilde belirlemesine malzemenin doğrusal viskoelastik yanıt hakkında bilgi içeren bir sıra fiziksel süreçlerin yanı sıra malzeme kararlı durum akışı özellikleri.
Bu iletişim kuralı doğru doğrusal olmayan rheological deneyler yanı sıra adım adım gerçekleştirmek nasıl en göze çarpan ayrıntılarını sağlar analiz ve SPP framework ile rheological yanıt anlama Kılavuzu şekil 1‘ de gösterildiği gibi. Biz bir giriş alet kurulum ve yüksek kaliteli geçici veri toplamak bir piyasada bulunan rheometer yapmak için belirli komutları tarafından takip kalibrasyonlar sağlayarak başlar. Rheological verileri aldıktan sonra biz SPP analiz freeware, ayrıntılı bir kılavuz ile tanıtmak. Nasıl iki konsantre polimer çözüm SPP düzeni içinde zamana bağımlı tepki rejim doğrusal frekans taraması ve kararlı durum akım eğrisi ile LAOS elde edilen sonuçları karşılaştırarak anlamak için tartışmak. Bu sonuçlar açıkça polimer çözümler ortaya onların doğrusal olmayan geçici Reolojisi daha ayrıntılı bir resim için izin veren bir salınım içinde farklı rheological devletler arasında geçiş tanımlayın. Bu veri işleme koşulları ürün oluşumu, taşıma, için en iyi duruma getirmek için kullanılabilir ve kullanın. Bu zamana bağımlı yanıtları daha da açıkça formu için olası yolları yapısı özelliği işleme ilişkileri nötron, x-ışınları veya ışık (küçük-açı saçılma üzerinden elde edilen microstructural bilgilerle Reolojisi kaplin sağlar SANS, SAXS ve SALS, sırasıyla), mikroskopi veya ayrıntılı simülasyonlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nasıl doğru bir ticari rheometer kullanarak büyük genlik salınım kesme rheometry testleri gerçekleştirmek ve yorumlayacağınızı ve iki farklı polimer çözüm doğrusal olmayan stres yanıt SPP analiz ücretsiz çalıştırmak için göstermiştir. Daha önce yapısal değişiklikler ile ilişkilendirmek ve anlayış çok sayıda kolloidal sistemlerin kolaylaştırmak için gösterilmiştir, SPP çerçeve, polimer sistemleri için eşit olarak uygulanır. İki konsantre polimer çözüm yanıt için LAOS içi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar Anton Paar MCR 702 rheometer VIP akademik araştırma programı aracılığıyla kullanımı için teşekkür ederiz. Biz Ayrıca Dr. Abhishek Shetty enstrüman kurulum yorum için teşekkür ederiz.
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).
