Studere store Amplitude oscillasjon skjær responsen av myke materialer

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Vi presenterer en detaljert protokoll beskriver hvordan du utfører lineær oscillasjon skjær Reologi på myke materialer, og hvordan du kjører SPP-LAOS analyser for å forstå reaksjonene som en sekvens av fysiske prosesser.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Vi undersøker en rekke fysiske prosesser utstilt i store amplituden oscillasjon skråstilling (LAOS) av polyetylen oksid (PEO) i dimethyl sulfoxide (DMSO) og Echalion i vann-to konsentrert polymer løsninger som viscosifiers i mat, økt oljeutvinning og jord Utbedring. Forstå lineære reologiske virkemåten til myke materialer er viktig i utformingen og kontrollert produksjon av mange forbrukerprodukter. Det vises hvordan responsen til LAOS av følgende polymer kan tolkes i en klar overgang fra lineær viscoelasticity viscoplastic deformasjon og tilbake igjen i en periode. LAOS resultatene er analysert via fullt kvantitative sekvens av fysiske prosesser (SPP) teknikken, benytter ledig MATLAB-basert programvare. Detaljert protokollen utfører en LAOS måling med en kommersiell rheometer, analysere lineære stressresponser med freeware, og tolke fysiske prosesser under LAOS presenteres. Det er videre vist at innenfor SPP rammen, LAOS svar inneholder informasjon om den lineære viscoelasticity, forbigående flyt kurvene og kritisk belastningen ansvarlig for utbruddet av nonlinearity.

Introduction

Konsentrert polymere løsninger brukes i en rekke industriapplikasjoner primært for å øke viskositet, inkludert mat1 og andre forbrukeren produktene2, økt utvinning3og jord Utbedring4. Under deres behandling og bruk utsettes de nødvendigvis for store deformasjoner over en rekke tidsrammer. Under slike prosesser viser de rik og kompleks lineære reologiske atferd som er avhengige av flyt eller deformasjon forhold1. Forstå disse komplekse lineære reologiske atferd er avgjørende for vellykket kontroll prosesser, designe bedre produkter og maksimere energieffektiviteten. Bortsett fra den industrielle betydningen er det en stor mengde akademisk interesse forståelse reologiske oppførsel av polymere materialer langt fra likevekt.

Oscillasjon skjær testene er en stift komponent i hver grundig reologiske karakterisering på grunn av ortogonale anvendelse av belastning og belastning rate5og uavhengig kontrollere lengden og tid skalerer probed ved å justere de amplitude og frekvens. Stressrespons til små amplituden oscillasjon skjær stammer, som er små nok ikke å forstyrre et materiale intern struktur, kan deles opp i komponenter i fase med belastningen og i fasen med belastning rate. Koeffisientene av fase med belastning og belastning hastigheten er kollektivt referert til som den dynamiske moduli6,7, og individuelt lagring modulus, Equation 1 , og tap modulus, Equation 2 . De dynamiske moduli føre til fjern elastisk og tyktflytende tolkninger. Men er tolkninger basert på disse dynamiske moduli bare gyldig for liten belastning amplituder, hvor stressresponser til sinusformet excitations er også sinusformet. Dette regimet omtales vanligvis som små amplituden oscillasjon skjær (SAOS) eller lineær viskoelastiske regimet. Som pålagt deformasjon blir større, er endringer indusert i den materielle mikrostrukturen, som gjenspeiles i kompleksiteten i den ikke-sinusformet forbigående stress svar8. I denne rheologically ikke-lineære regimet, som nærmere etterligner industriell behandling og forbruker bruksforhold, handle de dynamiske moduli som dårlig beskrivelser av svaret. En annen måte å forstå hvordan konsentrert myke materialer oppfører seg ut av likevekt er derfor nødvendig.

En rekke nyere studier9,10,11,12,13,14,15,16 har vist at materialer passere mangfoldig intra-syklus strukturelle og dynamiske endringer vakte av større deformasjoner i middels amplituden oscillasjon skjær (MAOS)15,17 og store amplituden oscillasjon skjær (LAOS) regimer. Intra-syklus strukturelle og dynamiske endringer har forskjellige manifestasjoner, for eksempel brudd på mikrostruktur, strukturelle anisotropy, lokale rearrangements, reformasjonen og endringer i diffusivity. Disse intra-syklus fysiske endringer i ikke-lineære regimet føre til komplekse lineære stress svarene som bare ikke kan tolkes med de dynamiske moduli. Som et alternativ, har flere tilnærminger blitt foreslått for tolkningen av lineære stressresponser. Vanlige eksempler på dette er Fourier transform Reologi (FT Reologi)18, geometrisk rekke utvidelser11, Chebyshev beskrivelse19og en rekke fysiske prosesser (SPP)5,8, 13,14,20 analyse. Selv om alle disse teknikkene har vist seg å være matematisk robust, er det fremdeles en ubesvart spørsmål om disse teknikkene kan gi klar og fornuftig fysiske forklaringer av lineære oscillasjon stressresponser. Det gjenstår en enestående utfordring til gi konsis tolkninger av reologiske data som relateres til strukturelle og dynamiske.

I en fersk studie, ble lineære stressrespons av myke glassaktig Reologi (SGR) modell8 og en myk glass laget av kolloidalt star polymerer7under oscillasjon skjær analysert gjennom SPP ordningen. Tidsmessige endringer i elastisk og tyktflytende egenskapene i ikke-lineære stressresponser separat kvantifisert av SPP-moduli Equation 3 og Equation 4 . Videre var reologiske overgangen representert ved forbigående moduli nøyaktig korrelert til microstructural endringer representert ved distribusjon av Mesoskopisk elementer. I studien av SGR modell8, ble det klart vist at reologiske tolkning via SPP ordningen gjenspeiler de fysiske endringene under alle oscillasjon skjær forhold i de lineære og ikke-lineære regimene for myk briller. Denne unike evnen til å gi nøyaktig fysiske tolkning av lineære svar myk briller gjør metoden SPP attraktive tilnærming for forskere studere ut-av-balanse dynamikken i polymer løsninger og andre myke materialer.

SPP ordningen er bygget rundt viser reologiske atferd som forekommer i et tredimensjonalt rom (Equation 5) som består av belastningen (Equation 6), belastning rate (Equation 7), og stress (Equation 8)5. I matematisk forstand, stressresponser behandles som multivariabel funksjoner av belastning og belastning rate (Equation 9). Som reologiske atferden er ansett som en bane i Equation 5 (eller en multivariabel funksjon), et verktøy for å diskutere egenskaper for en bane er nødvendig. I SPP tilnærming, forbigående moduli Equation 3 og Equation 4 spille en slik rolle. Forbigående elastisk modulus Equation 3 og tyktflytende modulus Equation 4 defineres som partiellderiverte av stress forhold til belastningen (Equation 10) og belastning (Equation 11). Etter den fysiske definisjonen av differensial elastiske og flytende moduli kvantifisere forbigående moduli umiddelbar påvirkning av belastning og belastning rate på stressrespons, mens andre metoder for analyse ikke kan gi noen informasjon om elastisk og tyktflytende separat.

SPP tilnærming beriker tolkningen av oscillasjon skjær testene. Med SPP analyse, kan komplekse lineære reologiske oppførsel av konsentrert polymere løsninger i LAOS være direkte relatert til de lineære reologiske atferd i SAOS. Vi viser i dette arbeidet hvordan maksimal forbigående elastisk modulus (Equation 12max) nær belastningen extrema tilsvarer lagring modulus i lineær regimet (SAOS). Videre viser vi hvordan forbigående tyktflytende modulus (Equation 4) under en LAOS syklusen spor steady state flyt kurven. I tillegg til å gi detaljer om komplekse sekvensen av prosesser som konsentrert polymer løsninger gå gjennom under LAOS, gir SPP ordningen også informasjon om Gjenopprettbare belastningen i materialet. Denne informasjonen, som ikke er oppnåelig gjennom andre tilnærminger, er et nyttig mål på hvor mye materiale vil rekyl når stress er fjernet. Slik oppførsel har innvirkning på om utskrift er mulig av konsentrert løsninger for 3D utskrift applikasjoner, samt skjermen utskrift, fiber dannelse og flyt opphør. En rekke nyere studier5,8,13 tydelig viser at det utvinnbare belastningen ikke er nødvendigvis det samme som belastningen pålagt under LAOS eksperimenter. For eksempel, fant en studie av myke kolloidalt briller under LAOS13 at utvinnbare belastningen er bare 5% når betydelig større summen belastning (420%) er pålagt. Andre studier16,21,22,23,24 bruker bur modulus21 også konkludere med at lineær elastisitet kan observeres under LAOS på punktet lukke å belastning maxima, antyde at materialene opplevd relativt liten deformasjon på disse øyeblikkene. SPP ordningen er det eneste rammeverket for forståelse LAOS at regnskapet for et skifte i belastning likevekt som fører til forskjell utvinnbare og den totale stammer.

Denne artikkelen tar sikte å lette forståelser og brukervennlighet av SPP analyse metoden ved å gi en detaljert protokoll for en LAOS analyse freeware, to konsentrert polymer løsninger, en 4 wt % Echalion (XG) vandig løsning og en 5 wt % PEO i DMSO løsning. Disse systemene er valgt på grunn av deres bredt spekter av programmet og rheologically interessante egenskaper. Echalion, en naturlig høy-molekylvekt polysakkarid, er en svært effektiv stabilisator for vandige systemer og brukt som et tilsetningsstoff å gi ønsket viscosification eller oljeboring å øke viskositet og gi rundt boring slam. PEO har en unik egenskap for hydrofile og er ofte brukt i farmasøytiske produkter og kontrollerte slipp systemer samt jord Utbedring aktiviteter. Disse polymere systemer er testet under ulike oscillasjon skjær forhold som er ment å omtrentlige behandling, transport og sluttbruk betingelser. Selv om disse praktiske forhold ikke kan nødvendigvis involverer flyt tilbakeføring som oscillasjon skjær, feltet flyt kan tilnærmes lett og innstilt med uavhengig kontroll av anvendt amplitude og pålagt frekvens i en oscillasjon test. Videre kan SPP ordningen brukes idet beskrevet her over å forstå en rekke flyt typer, inkludert de som ikke inkluderer flyt tilbakeføringer som nylig foreslått UD-LAOS25, der store amplituden svingninger brukes i en retning (fører til kallenavnet "enveis LAOS"). For enkelhet, og veiledende begrenser vi denne studien til tradisjonelle LAOS, som inkluderer periodisk flyt tilbakeføring. Målt reologiske svarene analyseres med SPP tilnærming. Viser vi hvordan du bruker SPP programvaren med enkle forklaringer på fremtredende beregning skritt for å forbedre leserens forståelse og behandling. En legende for å tolke analyseresultatene SPP er innført, etter som typen reologiske overgang er identifisert. Representant SPP analyseresultatene av de to polymerer under ulike oscillasjon skjær forhold vises, som vi identifisere en rekke fysiske prosesser som inneholder informasjon om materialets lineær viskoelastiske svar samt egenskapene stabil flyt av materialet.

Denne protokollen gir fremtredende detaljer om hvordan du nøyaktig utføre ikke-lineære reologiske eksperimenter, samt en trinnvis guide til å analysere og forstå reologiske svar med SPP rammen, som vist i figur 1. Vi begynner ved å gi en innføring i instrumentet oppsett og kalibreringer, etterfulgt av bestemte kommandoer for å gjøre en kommersielt tilgjengelig rheometer samle høykvalitets transientresponsen dataene. Når reologiske dataene har oppnådd, introdusere vi SPP analyse freeware, med en detaljert manual. Videre er diskutere vi hvordan forstå tidsavhengige svaret to konsentrert polymer løsninger innen SPP ordningen, ved å sammenligne resultatene fra LAOS med lineære-regimet frekvens feie og stabil flyt kurven. Disse resultatene klart identifisere at polymer løsningene overgang mellom forskjellige reologiske innen oscillerende, slik at for et mer detaljert bilde av deres ikke-lineære forbigående Reologi å dukke. Disse dataene kan brukes til å optimalisere filmfremkalling vilkår for produkt-formasjonen, transport, og bruk. Disse tidsavhengige svar ytterligere gi potensielle veier tydelig skjemaet struktur-egenskapen-prosessering relasjoner ved å koble Reologi microstructural informasjon fra liten vinkel spredning av nøytroner, røntgenstråler eller lys ( SANS, SAXS og SALS, henholdsvis), mikroskopi, eller detaljerte simuleringer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. rheometer installasjon

  1. Med rheometer som er konfigurert i SMT-modus (se merknad), knytte øvre og nedre stasjon geometrier. For å opprettholde så nær en homogen skjær feltet som mulig, kan du bruke en 50 mm plate (PP50) som lavere kampen, og en 2-graders kjegle (CP50-2) for øvre lampen.
    Merk: Rheometer vi bruker (se Tabell for materiale) kan konfigureres i begge en kombinert motor-svinger (CMT) eller egen motor svinger (SMT) modus. Med bare en enkelt motor integrert i rheometer hodet, det fungerer som en tradisjonell CMT stress-kontrollerte rheometer og dataene innhentet krever treghet rettelser. Med to motorer innlemmet i SMT modus, øvre motor opererer utelukkende som et dreiemoment svinger og bunnen motoren fungerer som en drivenheten således omdanner rheometer i en typisk belastning-kontrollerte rheometer.
    1. Fest geometrier bunn og topp.
    2. Klikk null-gap i Kontrollpanel.
    3. Gå til starte funksjon under kategorien måle sett på toppen. Kjør treghet kalibreringer for øvre og lavere måle systemer, funnet i nedtrekksmenyen.
    4. Kjør justeringer for øvre og nedre motorene.
    5. Angi ønsket temperatur i Kontrollpanel.
      Merk: Målene på der eksperimenter på XG og PEO løsninger er utført er 25 ± 0,1 ° C og 35 ± 0,1 ° C, henholdsvis.
  2. Legg materialet rundt på bunnen geometrien med en spatel og pipette, sikrer ingen luftbobler er entrained i utvalget.
    Merk: Omtrentlig mengder materiale må fylle en geometri tilbys i rheometry programvaren under Oppsett | Måle systemer.
    1. Last 1.14 mL å fylle kjegle-og-plate geometrien. Last høyere viskositet prøver med en slikkepott, og mindre tyktflytende materialer med en pipette.
      Merk: En slikkepott til å laste polymer løsninger.
    2. Kommandoen måling systemet til trim gap og forsiktig trim overflødig materialet på kanten av geometri med en firkant-slutt slikkepott, sikre spatula forblir vinkelrett på aksen av rheometer.
      Merk: Kvaliteten på materialet lasting vil påvirke reologiske resultater betydelig og noen tilsynelatende under - eller over - filling bør unngås.
    3. Trykk på Fortsett -knappen i programmet rheometry å flytte til måling gapet.
      Merk: En fullstendig lasting prosessen er illustrert i figur 2.

2. kjører oscillasjon skjær tester

Merk: To måter å oscillasjon skjær tester er innført. Den første fremgangsmåten er utformet for sinusformet stresset og påkjenningen bare og ble brukt til å samle dataene vi rapporterer her. Den andre metoden gir vilkårlig stress eller press tidsplaner angis.

  1. Sinusformet oscillasjon skjær
    1. Naviger til Store amplituden oscillasjon skjær-LAOS under mine apps i programvaren. Gå til boksen måling og klikk belastning variabel.
    2. Angi første (1%) og endelige verdiene (4000%) av en belastning amplituden feie. Angi pålagt hyppigheten av 0.316 rad/s. Definer ønsket antall belastning amplituder 16 i det angitte amplitude området, noe som resulterer i punkt tetthet 5 poeng per tiår.
    3. Merk få bølgeform øverst for å samle forbigående svar.
    4. Klikk start -knappen øverst for å starte eksperimenter og rådata vises i rheometry programvaren automatisk.
  2. Vilkårlig Stress eller press tidsplaner
    1. For å pålegge vilkårlig definert deformasjon, klikker du bølgeform sinus generator under mine apps i programvaren.
    2. Define en liste over belastningen verdier som samsvarer med funksjonen som skal brukes (ikke begrenset til sinusformet bølgeform). Generere verdilisten i et eksternt program.
    3. Klikk Rediger under belastning verdien i boksen mål. Kopier og lim inn disse numrene i verdilisten.
    4. Angi antall datapunkt, varighet og intervalltiden å justere pålagt frekvensen. For eksempel angi antall datapunkt og intervalltiden 512 poeng og 6.2832 s, henholdsvis hvis en syklus av sinusformet belastning limes inn belastning verdiliste med 512 poeng og hyppigheten av 1 rad/s er ønskelig.
      Merk: Denne metoden anbefales ikke for kjører sinusformet oscillasjon skjær begrenset antall oscillasjon sykluser, og også det faktum at automatiske rettinger som er aktivert i en oscillasjon testmodus på rheometer er deaktivert i denne modus. Likevel, fordi det er ingen forutsetninger for sinusformet belastning bygget inn SPP rammeverket, kan en vilkårlig definere pålagt belastning funksjoner etter behandling betingelsene eller bruk materialet kan oppleve og SPP framework restene gjelder å analysere reologiske svaret.
    5. Merk få bølgeform øverst. Klikk start -knappen øverst for å starte eksperimenter.

3. utføre SPP analyse (SPP-LAOS programvare)

Merk: SPP analyseprogramvare er en MATLAB-baserte gratis pakke for å analysere reologiske data med SPP rammen og er vedlagt som supplerende filer 1\u2012621.

  1. Formatere datafilene skal tabulatordelt tekst (.txt) består av fire kolonner i rekkefølgen av {tid (s), sil (-), Rate (1/s), Stress (Pa)}.
    Merk: Brukere må endre antall overskriften linjer i funksjonen filer skal kunne behandle sine data. Se eksempeldatafiler (supplerende filer 7\u20129).
  2. For å kjøre SPP-LAOS programvare, åpne m-filen som heter RunSPPplus_v1.m i MATLAB.
    Merk: RunSPPplus_v1.m er den viktigste skriften analyse, pakken inneholder andre funksjonen filer som vil bli kalt fra viktigste skriptet, inkludert SPPplus_read_v1.m, SPPplus_fourier_v1.m, SPPplus_numerical_v1.m, SPPplus_print_v1.m og SPPplus_figure_v1.m.
  3. Gå til delen egendefinerte variabler, og angi følgende variabler.
    1. Filnavn: Angi navnet på txt-fil som skal brukes for SPP analyse.
      Merk: Filen må samsvare med ovennevnte format kravet.
    2. Tilstand: sted vektor som [1, 0] for å kjøre Fourier-analyse-modus for vanlig oscillasjon skjær respons.
      Merk: Programvaren bruker to ulike metoder for å beregne de øyeblikkelig SPP moduli, Equation 3 og Equation 4 , basert på Fourier transformasjon og numeriske differensiering. Fourier transform tilnærming er utformet for periodiske skriving, for eksempel oscillasjon skjær tester. Vilkårlig tidsavhengige tester, som inkluderer, men er ikke begrenset til sinusformet protokoller, kan analyseres med numerisk differensiering tilnærming.
    3. Tilstand: Input vektoren som [0, 1] for å kjøre numeriske differensiering analyse modus for vilkårlig tidsavhengige tester.
    4. Omega (Fourier-analyse): Angi kantete hyppigheten av oscillation, med enheter på rad/s.
    5. M (Fourier-analyse): definere antall høyere harmonics i SPP analysen. Justere dette tallet for å inkludere alle høyere harmoniske over støy gulvet.
      Merk: Dette må være en positiv oddetall og varierer med amplitude og materiale. Vi inkludere opptil 3 harmonisk i MAOS regime, og opptil 55th harmonisk på største amplituden undersøkt.
    6. p (Fourier-analyse): Angi antall perioder for å måle tid i inndataene, som må være et positivt heltall.
      Merk: Flere periodene som er samlet inn, jo høyere oppløsning du tid av SPP parametere.
    7. k (numerisk differensiering): definere trinn størrelsen for numeriske differensiering, som må være et positivt heltall.
    8. num_mode (numerisk differensiering): angi num_mode skal "0" (standard differensiering) eller "1" (løkker differensiering).
      Merk: Det finnes to fremgangsmåter i numerisk differensiering ordningen. "Standard differensiering" gjør ingen forutsetninger om form av dataene. Den utnytter en frem forskjell for å beregne deriverte for første 2000 poeng av data, en bakover forskjell for siste 2000 poeng og en midtstilt forskjell andre steder. Den "løkker differensiering" forutsetter at dataene er tatt under stabil periodiske forhold, og inneholder et heltall antall perioder. Dette tillater en midtstilt forskjell beregnes overalt av looping over endene av dataene.
    9. Klikk Kjør på toppen når alle variablene er angitt.
      Merk: Programvaren vil beregne alle SPP beregninger tilknyttet dataene, og deretter vise tallene knyttet til gjeldende analyse løp og utgang en tekstfil som inneholder alle beregnede SPP beregninger for videre analyse.
    10. Iterativt Ant harmoniske skal inkluderes i analysen fra utdataene Fourier spektrum. Inkluder alle høyere odde harmoniske over støy gulvet.

4. tolke LAOS svar

  1. Naviger til Cole-Cole plottet av de momentant SPP moduli Equation 3 og Equation 4 som genereres automatisk av SPP.
    Merk: En kurve i Cole-Cole plottet regnes som banen av viskoelastiske materiale, og tolkningene kan dannes i oscillerende, i intra-syklus prosesser, eller mellom etterfølgende perioder, i mellom syklus prosesser.
  2. Tolke stivhet av øyeblikkelig elastisk modulus,Equation 13, og en senke av Equation 3 som viser stivne/mykgjørende. Se Figur 3.
  3. Tolke et materiale viskositet basert på øyeblikkelig tyktflytende modulus, Equation 4 . En senke i denne parameteren representerer jevning/tynning.
  4. Overføre fokus til en annen Cole-Cole tomt tid derivater av forbigående moduli Equation 14 og Equation 15 , som gir kvantitativ informasjon om hvor mye et svar er stiffening (Equation 16), myke (Equation 17), jevning (Equation 18), tynning ((Equation 19)). Se Figur 3.
    Merk: Av verdiene til derivater, frekvensen som materiale gjennomgår stivne/mykgjørende eller jevning/thinning kan kvantitativt bestemmes.
  5. Lese midt i en bane (i en time-vektet gjennomsnittlig forstand) i Cole-Cole plottet av Equation 20 som til dynamisk moduli, [Equation 1Equation 21].
    Merk: De dynamiske moduli er gjennomsnitt parametere over en syklus av deformasjon, og er utilstrekkelige for å gi lokal informasjon under LAOS.
  6. Den relative bevegelsen av banen spores amplituder å forstå mellom syklus fysikk.
    Merk: Fokus på den relative bevegelsen av time-vektet gjennomsnittlig center tilsvarer en tradisjonell belastning amplituden feie av de dynamiske moduli. Likevel kan en enkelt analysere over amplituden bevegelse andre spesifikke punkter, for eksempel, på belastning extrema.
  7. Bestemme forbigående differensial viskositeten Equation 22 og legge den på en jevn-skjær flyt kurve. Sammenligne forbigående LAOS svaret med jevn-skjær forhold.
  8. Bestemme poeng av maksimalt Equation 12 på de store amplituder i Cole-Cole plottet av Equation 20 . Se stjernen merket i Figur 4 c.
    1. Registrere verdier for Equation 23 på disse øyeblikkene.
    2. Tegne dem over amplituden feie av de dynamiske moduli. Se Figur 4 d.
      Merk: Vær oppmerksom på noen korrespondanse mellom maksimal forbigående elastisk modulus og lineær viskoelastiske Equation 1 .
  9. Finn instants av maksimalt Equation 12 i den elastiske Lissajous finne og spille inn tilsvarende belastning verdier. Se stjernen merket i figur 4a.
  10. Hvis Equation 24 , så bestemme likevekt belastningen Equation 25 og elastisk belastningen Equation 26 .
    Merk. Med forskyvning stress Equation 27 når Equation 28 likevekt belastningen kan beregnes som Equation 29 og elastisk belastningen kan derfor bestemmes som forskjellen mellom belastningen og likevekt belastning5,13 . Kravet om Equation 24 er avledet og diskutert annetsteds15.
  11. Tegne elastisk belastningen som en funksjon av pålagt belastning amplituden. Se figur 4e. Hvis elastisk belastningen er uavhengig av belastningen amplituden, deretter angi denne kritiske belastningen på amplituden feie som i Figur 4 d.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Representant resultatene av SPP analyse fra XG og PEO/DMSO løsninger under oscillasjon skjær tester presenteres i tallene 4 og 5. Vi først presentere rådataene som elastisk (Equation 30) og tyktflytende (Equation 31) Lissajous-Bowditch kurver i tallene 4a, 4b, 5a og 5b. Å fullt ut forstå intra-syklus fysikk, presenteres tidsavhengige Cole-Cole tomter hentes fra SPP freeware i tallene 4 c og 5 c. Tolkninger av tomter er omtalt på måten av forklaringen i Figur 3 og protokollen trinn 4.2-4,7, hvor den relative bevegelsen av spor kvantitativt angir om materialet gjennomgår stivne/mykgjørende eller fortykning / thinning i en intra-syklus forstand. Time-vektet sentrene for disse baner, som representerer de gjennomsnittlige elastiske og flytende moduli, tilsvarer de dynamiske moduli, Equation 1 og Equation 32 , vist i Figur 4 d og 5 d. Ved store deformasjoner er gjennomsnittlig parametere ikke tilstrekkelig å beskrive materiale svaret på noen bestemt øyeblikk. Dannet en bro mellom reologiske data og microstructural videreutviklinger har vist en vanskelig oppgave. Microstructural informasjon innhentet fra enten spredning9,26 eller simulering12 er ofte tid løst og krever en reologiske studie som tilsvarer den timelige oppløsningen. En mer komplett drøfting av kobling makroskopisk SPP analyse og microstructural detaljer kan finnes i en fersk studie av myke glassaktig materialer8.

Bruke SPP ordningen, er vi også finne elastisk utvinnbare belastningen på øyeblikkene når materialet svaret er overveiende elastisk. Spesielt reagerer gel-lignende strukturen i XG på måter som minner om myke glassaktig materialer, der svarene gå gjennom instants av lineær-regimet viscoelasticity over de store amplituder som vist i Figur 4 d. Faktisk identifisere vi øyeblikkelig SPP elastisk modulus på store amplituder i XG-løsning som er mer enn tre størrelsesordener større enn tradisjonelle modulus, viser tydelig fordel av lokale tiltak. Lignende resultater er observert i studier av myke kolloidalt briller16,21,22,23,24, hvor punktene av lineær-lignende elastisitet også finner sted på stillinger i den Strain extrema. Dette indikerer at materialet likevekt er frisk adskilt fra stedet der eksperimentet startet, på belastning null. Med SPP analyse, er det vist i figur 4e at elastisk utvinnbare belastningen på maksimal elastisitet forblir nesten konstant på 16%, selv når anvendt belastningen er så stor som 4000%. Denne konstante utvinnbare stamme på ca 16% tilsvarer kritiske belastning amplituden, Equation 33 , over som ikke-lineær oppførsel er observert i belastning amplituden sving med Figur 4 d.

Ved PEO løsningen, er maksimal forbigående elastisk modulus over forskjellige amplituder vist i figur 5 d. Vi identifiserer, ved hjelp av SPP tilnærming, en økende stivhet som amplituden øker, mens lagring modulus viser bare mykgjørende. På de største amplituder analysert, identifisere vi en øyeblikkelig modulus som er mer enn en størrelsesorden større enn tradisjonelt defineres lagring modulus. Størrelsen av forbigående elastiske og flytende moduli er sammenlignbare instants av største elastisitet, noe som betyr at tilstanden for the SPP å identifisere elastisk belastningen ikke er oppfylt.

Hovedfordelen med kvantitative SPP ordningen er at elastisk og tyktflytende tydelig bestemmes ved hvert punkt i syklusen. I forrige del, ble det etablert at på instants nær belastning extrema, XG løsningen reagerer som om det er i grensen lineær viskoelastiske mens PEO løsningen viser en modul som er marginalt større enn utstilt i lineær regimet. Vi nå snu vår oppmerksomhet til neste hovedkomponenten i en rekke fysiske prosesser utstilt ved begge polymer løsninger, betingelsen flyt.

Den forbigående differensial viskositeten, definert som forbigående tyktflytende modulus delt frekvensen, Equation 34 , er vist i figur 6 på jevn-skjær flyt viskositet, bestemmes av uavhengige steady-skjær tester. En lignende respons er observert fra både materialer, der den forbigående differensielle viskositet først forblir konstant til lav skjær priser, etterfulgt av en overshoot, før den synkende raskt. Den forbigående differensielle viskositet begge løsninger endres med skjær rate omtrent det samme som jevn-skjær flyt viskositet, riktignok med forbigående differensial viskositet som er litt under steady-state-betingelser. Stabil-skjær flyt svaret kan sees som en LAOS eksperiment i grensen på null hyppighet; Likevel, med SPP analyse ordningen, det forbigående flyt opptreden på noen tilfeldig pålagt frekvens kvantitativt konstrueres.

Forskjellige sekvensen av fysiske prosesser utstilt ved XG på en belastning amplituden til 4000% vises i figur 7hvor symbolene delt Lissajous-Bowditch kurven i ulike prosesser rundt. Vi begynner i regionen merket som region #1, som vi identifisere som viscoplastic i naturen. I dette intervallet av svaret SPP analyse ordningen viser nesten null elastisitet, som bestemmes av Equation 3 , som angir ingen belastning-avhengighet til stress. Som skjær hastigheten begynner å redusere nær belastning extremum, stiv XG løsningen, som indikerer at strukturen ansvarlig for lineær viskoelastiske svaret begynner å reformere. Vi kaller dette "restrukturering". Elastisk utvinnbare belastningen på dette punktet er på rundt 16%, mye mindre enn den totale deformasjon, som samsvarer med lineær-regimet viscoelasticity disse gel-lignende og andre glassaktig systemer. En rask overgang fra elastisk til tyktflytende atferd, minner om gir eller destructuring, finner sted når tilstrekkelig belastning er kjøpt fra reversering, og etterfølges av en stress overshoot, der det er en skarp endring i forbigående moduli. Under delen av oppnås når stress er avtagende, øyeblikkelig tyktflytende modulus, Equation 35 er et øyeblikk negativ, reflekterer redusere stress med økende skjær rente. Deler av negative Equation 35 er derfor ikke observert i PEO løsninger fordi noen overshoot. Til slutt, systemet går tilbake til viscoplastic deformasjon regimet og opplevelser distinkte intra-syklus sekvensen to ganger over en syklus av oscillation.

Figure 1
Figur 1: en skjematisk å illustrere et komplett prosess utfører, analysere og forstå reologiske eksperimenter. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: detaljert fremgangsmåte til å laste materialer. (en) fest den lavere (PP50) og øvre (CP50-2) geometrier etterfulgt av null-gap posisjonen. (b) Last materiale på midten av nedre plate med en pipette eller spatula samtidig unngå bobler. (c) kommandoen øvre geometri trimme gapet. Liten overfylling forventes i dette trinnet hvis pipettering med nøyaktig volum. Underfilling skulle være forhindret. (d) forsiktig trim overfill på kanten av geometrier med en firkant-slutt slikkepott. (e) Fortsett til måling gapet bare når lasting og trimming er bra, slik at ingen underfilling er observert rundt omkretsen av geometri, og kantene viser noen distinkte frakturer. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: baner tidsavhengige Cole-Cole tomter kan tolkes gjennom disse legendene. (en) Cole-Cole handlingen i Equation 20 -plass, (b) i Equation 20 -plass. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: SPP-LAOS analyse fra 4 wt % XG løsning for hyppigheten av 0.316 rad/s. Rådata presenteres som elastisk (en) og tyktflytende (b) Lissajous-Bowditch kurver. (c) Cole-Cole tomt forbigående moduli Equation 37 , der de stiplede linjene representerer de lineære-regimet dynamisk moduli. (d) forbigående moduli bestemmes ved maksimal elastisitet som en funksjon av belastning amplituder. (e) elastisk utvinnbare belastning i øyeblikket av maksimalt Equation 3 som en funksjon av belastning amplitude. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5: SPP-LAOS analyse fra 5 wt % PEO i DMSO løsning på frekvensen av 1,26 rad/s. (en) elastisk og (b) tyktflytende Lissajous-Bowditch kurver. (c) Cole-Cole tomt forbigående moduli Equation 37 , der de stiplede linjene representerer de lineære-regimet dynamisk moduli. (d) dynamisk moduli som en funksjon av belastning amplituder. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6: forbigående differensial viskositeten plottet på jevn-skjær flyt kurven fra XG (a) og PEO/DMSO (b) systemer. Linjene viser forbigående differensial viskositet Equation 22 bestemmes av LAOS tester mens star symboler representerer steady-skjær flyt viskositet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 7
Figur 7: en rekke fysiske prosesser under LAOS fra XG løsninger. Symbolene på elastiske Lissajous-Bowditch kurver (en) tilsvarer de i tidsavhengige Cole-Cole plottet av forbigående moduli (b). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Vi har vist hvordan riktig utføre store amplituden oscillasjon skjær rheometry tester med en kommersiell rheometer, og kjøre SPP analyse freeware å tolke og forstå lineære stressresponser to distinkte polymer løsninger. SPP strukturen, som har tidligere vist seg å korrelere med strukturelle endringer og tilrettelegge forståelser av mange kolloidalt systemer, kan like brukes til polymer systemer. Svarene på to konsentrert polymere løsninger til LAOS har vært undersøkt ved hjelp av SPP ordningen, som det reologiske svar vises viser komplekse sekvenser av prosesser. Fortolkninger forbigående intra-syklus gir viktig informasjon om ikke-lineære ut-av-balanse oppførsel av polymere løsninger, og gir retningslinjer for ingeniører å forbedre forbrukerprodukter med egenskapene eller til transport systemer mer effektivt.

Gel-lignende XG løsningen og konsentrert fanget PEO løsningen viser ulike fysiske prosesser som gir klare forskjeller mellom deres respektive lineær atferd. Mens maksimal forbigående elastisk modulus av XG fortsatt i hovedsak uendret over pålagt amplituder, minner om myke glassaktig materialer som viser caging dynamikk, PEO løsningen viser en lokal stivne kjennetegn som er bedre beskrevet av endelig-utvidelse konsepter vanligvis brukt til polymer systemer. Som en konsekvens, prosesser som involverer hvert materiale ville best tilnærmes ved hjelp av glassaktig og finitely utvidbart lineære elastiske (FENE)-type modeller. I tillegg til hvordan endrer maksimal elastisitet med anvendt belastning amplitude, forbigående differensial viskositeten fra de to systemene viser lignende virkemåter, med tilsynelatende overshoots til høy skjæring priser identifisert før skjær tynning. PEO løsningen viser imidlertid en lavere forbigående differensial viskositet enn stabil forhold, mens XG løsningen ingen markant forskjell mellom jevn og dynamisk klipping. Vi har derfor identifisere ulike pre gitt prosesser, men like etter avkastning egenskaper i to polymer systemer. I begge tilfeller identifisere vi post gitt vilkår som er nesten utvisket mot jevn klipping, viser at det ikke er nødvendig å gå til grensen på null frekvens i LAOS å få pålitelig informasjon om flytegenskaper av myke materialer.

Vi identifisere ikke-lineære reologiske sekvensen som inneholder informasjon om den lineære viscoelasticity, forbigående flyt kurvene og kritisk belastningen som er ansvarlig for ikke-lineær oppførsel. Dette kongruens informasjon innhentet via SPP tilnærming er ikke mulig med noen av de FT-baserte tilnærmingene, som behandler oscillasjon klipping som spesielle reologiske tilfeller med fortolkninger som ikke gjelder for andre eksperimentelle protokoller. SPP tilnærming visninger derimot alle materialer svar ekvivalent, gir en klar mekanisme for direkte sammenligninger over en rekke ulike tester, slik som de gjorde her. Vi viser at elastisk utvinnbare belastningen er ca konstant på maksimal elastisitet for en Echalion løsning, og dette konstant elastisk press er et tegn på kritiske belastningen av lineære regime. Vi viser også at forbigående flyt kurvene kan konstrueres fra resultatene av SPP analysen. I en enkelt LAOS test på en konsentrert polymere løsning ved hjelp av SPP tilnærming, kan vi derfor trygt bestemme lineær viskoelastiske svaret på denne frekvensen, deler av stabil flyt kurven som samsvarer med betingelsene pålagt, og amplituden som svar blir ikke-lineære. Alt dette arbeidet gir en generell tilnærming til utføre og forstå lineære reologiske oppførsel av myk saken, med særlig vekt på polymer løsninger. Framgangsmåte som er skissert i dette arbeidet gir en lett-å-implementere metode som gir klar sammenheng mellom små og store-amplitude deformasjon bulk Reologi, hvilke kan brukes å hjelpe rasjonell design og optimalisering av materialer under flyt .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Forfatterne takker Anton Paar for bruk av MCR 702 rheometer gjennom VIP akademisk forskning-programmet. Vi takker også Dr. Abhishek Shetty for kommentarer i instrumentet oppsettet.

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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics