Ortogonal Süperpozisyon Reolojisi için Kalibrasyon Prosedürleri
Summary
Newton sıvılarını kullanan ticari bir ortogonal süperpozisyon reolojisi tekniği için, son etki düzeltme faktörü belirleme yöntemleri ve deneysel hatayı azaltmak için en iyi uygulamalar için öneriler de dahil olmak üzere ayrıntılı bir kalibrasyon protokolü sunuyoruz.
Abstract
Ortogonal süperpozisyon (OSP) reolojisi, küçük genlikli salınımlı bir kesme deformasyonunun ortogonal olarak birincil kesme akışına üst üste bindirilmesini içeren gelişmiş bir reolojik tekniktir. Bu teknik, karmaşık akışkanların yapısal dinamiklerinin doğrusal olmayan akış koşulları altında ölçülmesine izin verir, bu da çok çeşitli karmaşık akışkanların performansının anlaşılması ve tahmin edilmesi için önemlidir. OSP reolojik tekniği, 1960’lardan bu yana, özellikle bu tekniğin gücünü vurgulayan özel yapım cihazlar aracılığıyla uzun bir gelişim geçmişine sahiptir. OSP tekniği artık reoloji topluluğu için ticari olarak mevcuttur. OSP geometrisinin karmaşık tasarımı ve ideal olmayan akış alanı göz önüne alındığında, kullanıcılar ölçüm hatasının büyüklüğünü ve kaynaklarını anlamalıdır. Bu çalışma, ölçüm hatalarını azaltmak için en iyi uygulamalar için öneriler içeren Newton sıvılarını kullanan kalibrasyon prosedürlerini sunmaktadır. Özellikle, son etki faktörü belirleme yöntemi, numune doldurma prosedürü ve uygun ölçüm aralığının tanımlanması (örneğin, kesme hızı, frekans vb.) hakkında ayrıntılı bilgi verilmektedir.
Introduction
Karmaşık sıvıların reolojik özelliklerini anlamak, güvenilir ve tekrarlanabilir ürünlerin geliştirilmesi ve üretilmesi için birçok endüstri için gereklidir1. Bu “karmaşık sıvılar”, günlük yaşamımızda, örneğin kişisel bakım ürünlerinde, gıdalarda, kozmetiklerde ve ev ürünlerinde yaygın olarak bulunan süspansiyonları, polimerik sıvıları ve köpükleri içerir. Reolojik veya akış özellikleri (örneğin, viskozite), son kullanım ve işlenebilirlik için performans metriklerinin oluşturulmasında önemli miktarlardır, ancak akış özellikleri, karmaşık akışkanlar içinde bulunan mikro yapılarla birbirine bağlıdır. Karmaşık sıvıların onları basit sıvılardan ayıran belirgin bir özelliği, çoklu uzunluk ölçeklerini kapsayan çeşitli mikro yapılara sahip olmalarıdır2. Bu mikro yapılar, makroskopik özelliklerinde değişikliklere neden olan farklı akış koşullarından kolayca etkilenebilir. Akış ve deformasyona yanıt olarak karmaşık akışkanların doğrusal olmayan viskoelastik davranışı yoluyla bu yapı-özellik döngüsünün kilidini açmak, deneysel reologlar için zorlu bir görev olmaya devam etmektedir.
Ortogonal süperpozisyon (OSP) reolojisi3 , bu ölçüm zorluğunu ele almak için sağlam bir tekniktir. Bu teknikte, küçük bir genlikli salınımlı kesme akışı, tek yönlü bir birincil kararlı kesme akışına ortogonal olarak üst üste bindirilir, bu da uygulanan birincil kesme akışı altında viskoelastik bir gevşeme spektrumunun eşzamanlı olarak ölçülmesini sağlar. Daha spesifik olmak gerekirse, küçük salınımlı kesme pertürbasyonu, doğrusal viskoelastisite4’teki teoriler kullanılarak analiz edilebilirken, doğrusal olmayan akış koşulu birincil kararlı kesme akışı ile elde edilir. İki akış alanı ortogonal olduğundan ve bu nedenle bağlanmadığından, pertürbasyon spektrumları, birincil doğrusal olmayan akış5 altındaki mikroyapının varyasyonu ile doğrudan ilişkili olabilir. Bu gelişmiş ölçüm tekniği, formülasyonlarını, işlemelerini ve uygulamalarını optimize etmek için karmaşık sıvılardaki yapı-özellik-işleme ilişkilerini aydınlatma fırsatı sunar.
Modern OSP reolojisinin uygulanması ani bir epifaninin sonucu değildi; daha ziyade, onlarca yıllık özel cihazların geliştirilmesine dayanmaktadır. İlk özel yapım OSP aparatıSimmons 6 tarafından 1966 yılına kadar uzanıyor ve bundan sonra 7,8,9,10 gibi birçok çaba sarf edildi. Bu erken özel yapım cihazlar, hizalama sorunları, pompalama akış etkisi (ortogonal salınım sağlamak için bob’un eksenel hareketi nedeniyle) ve cihaz hassasiyetinin sınırları gibi birçok dezavantajdan muzdariptir. 1997 yılında, Vermant ve ark.3, önceki cihazlardan daha geniş bir viskozite aralığına sahip sıvılar için OSP ölçümlerini sağlayan ticari ayrı bir motor-transdüser reometresi üzerindeki kuvvet yeniden dengeleme dönüştürücüsünü (FRT) değiştirdi. Bu modifikasyon, normal kuvvet yeniden dengeleme dönüştürücüsünün gerilim kontrollü bir reometre olarak işlev görmesini sağlar ve eksenel kuvvetin ölçümüne ek olarak eksenel bir salınım uygular. Son zamanlarda, OSP ölçümleri için gerekli geometriler, Vermant’ın metodolojisinden sonra, ticari ayrı bir motor-transdüser reometresi için serbest bırakılmıştır.
Ticari OSP reolojisinin ortaya çıkmasından bu yana, bu tekniğin çeşitli karmaşık sıvıların araştırılması için uygulanmasına artan bir ilgi vardır. Örnek olarak kolloidal süspansiyonlar 11,12, kolloidal jeller13,14 ve gözlükler15,16,17 verilebilir. Ticari cihazın mevcudiyeti OSP araştırmasını teşvik ederken, karmaşık OSP geometrisi, ölçümün diğer rutin reolojik tekniklerden daha iyi anlaşılmasını gerektirir. OSP akış hücresi, çift cidarlı eşmerkezli silindir (veya Couette) geometrisine dayanır. Sıvının dairesel boşluklar ve rezervuar arasında ileri geri akmasını sağlamak için açık üst ve açık alt tasarıma sahiptir. Üretici tarafından geometri tasarımında yapılan optimizasyona rağmen, OSP operasyonu sırasında akışkan homojen olmayan bir akış alanı, geometrik son etkiler ve artık pompalama akışı yaşar ve bunların hepsi önemli deneysel hatalara neden olabilir. Önceki çalışmamız18, bu teknik için Newton sıvılarını kullanan önemli son etki düzeltme prosedürlerini bildirmiştir. Doğru viskozite sonuçları elde etmek için, hem primer hem de ortogonal yönlerde uygun son etki faktörleri uygulanmalıdır. Bu protokolde, OSP reolojik tekniği için ayrıntılı bir kalibrasyon metodolojisi sunmayı ve ölçüm hatalarını azaltmak için en iyi uygulamalar için önerilerde bulunmayı amaçlıyoruz. Bu yazıda OSP geometri kurulumu, numune yükleme ve OSP test ayarları ile ilgili olarak açıklanan prosedürler, Newton dışı akışkan ölçümleri için kolayca benimsenebilir ve tercüme edilebilir olmalıdır. Kullanıcıların, herhangi bir sıvı sınıflandırmasında (Newton veya Newton olmayan) OSP ölçümlerinden önce uygulamaları için son etki düzeltme faktörlerini belirlemek üzere burada açıklanan kalibrasyon prosedürlerini kullanmalarını tavsiye ederiz. Son faktörler için kalibrasyon prosedürlerinin daha önce bildirilmediğini unutmayın. Bu makalede sağlanan protokol ayrıca, genel olarak doğru reolojik ölçümlerin nasıl yapılacağına dair adım adım kılavuz ve ipuçlarını ve reometre kullanıcıları tarafından göz ardı edilebilecek “ham” verilere karşı “ölçülen” verilerin anlaşılmasına ilişkin teknik kaynağı açıklamaktadır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokolde, çift cidarlı konsantrik silindir geometrisine sahip ticari bir ortogonal süperpozisyon reoloji tekniği için Newton sıvılarını kullanarak viskozite kalibrasyon ölçümleri yapmak için ayrıntılı bir deneysel prosedür sunuyoruz. Kalibrasyon faktörleri, yani birincil son etki faktörü C L ve ortogonal son etki faktörü CLo, sabit kesme hızı süpürme ve ortogonal frekans süpürme testleri yapılarak bağımsız olarak belirlenir. So…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ran Tao, ABD Ticaret Bakanlığı Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’nün 70NANB15H112 hibesi kapsamında sağladığı fonlara teşekkür eder. Aaron M. Forster’ın finansmanı, Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’ne kongre ödenekleri yoluyla sağlandı.
Materials
| Advanced Peltier System | TA Instruments | 402500.901 | Enviromental control device |
| ARES-G2 Rheometer | TA Instruments | 401000.501 | Rheometer |
| Brookfield Silicone Fluid, 12500cP | AMTEK Brookfield | 12500 cps | Viscosity standard liquid |
| OSP Slotted Bob, 33 mm | TA Instruments | 402796.902 | Bob, upper geometry |
| OSP Slotted Double Gap Cup, 34 mm | TA Instruments | 402782.901 | Double wall cup, lower geometry |
| Pipette (1 – 10 mL) | Eppendorf | 3120000089 | To load test materials |
| Pipette (100 – 1,000 µL) | Eppendorf | 3123000063 | To load test materials |
| Pipette Tips (0.5 – 10 mL) | Eppendorf | 022492098 | To load test materials |
| Pipette Tips (50 – 1,000 µL) | Eppendorf | 022491555 | To load test materials |
| Spatula | VWR | 82027-532 | To load test materials |
| TRIOS | TA Instruments | v4.3.1.39215 | Rheometer software |
Referenzen
- Macosko, C. W. . Rheology: principles, measurements, and applications. , (1994).
- Larson, R. G. . The Structure and Rheology of Complex Fluids. , (1999).
- Vermant, J., Moldenaers, P., Mewis, J., Ellis, M., Garritano, R. Orthogonal superposition measurements using a rheometer equipped with a force rebalanced transducer. Review of Scientific Instruments. 68 (11), 4090-4096 (1997).
- Ferry, J. D. . Viscoelastic Properties of Polymers. , (1980).
- Yamamoto, M. Rate-dependent relaxation spectra and their determination. Transactions of the Society of Rheology. 15 (2), 331-344 (1971).
- Simmons, J. M. A servo-controlled rheometer for measurement of the dynamic modulus of viscoelastic liquids. Journal of Scientific Instruments. 43 (12), 887-892 (1966).
- Tanner, R. I., Williams, G. On the orthogonal superposition of simple shearing and small-strain oscillatory motions. Rheologica Acta. 10 (4), 528-538 (1971).
- Schoukens, G., Mewis, J. Nonlinear rheological behaviour and shear-dependent structure in colloidal dispersions. Journal of Rheology. 22 (4), 381-394 (1978).
- Zeegers, J., et al. A sensitive dynamic viscometer for measuring the complex shear modulus in a steady shear flow using the method of orthogonal superposition. Rheologica Acta. 34 (6), 606-621 (1995).
- Mewis, J., Schoukens, G. Mechanical spectroscopy of colloidal dispersions. Faraday Discussions of the Chemical Society. 65, 58-64 (1978).
- Lin, N. Y. C., Ness, C., Cates, M. E., Sun, J., Cohen, I. Tunable shear thickening in suspensions. Proceedings of the National Academy of Sciences. 113 (39), 10774-10778 (2016).
- Gracia-Fernández, C., et al. Simultaneous application of electro and orthogonal superposition rheology on a starch/silicone oil suspension. Journal of Rheology. 60 (1), 121-127 (2015).
- Sung, S. H., Kim, S., Hendricks, J., Clasen, C., Ahn, K. H. Orthogonal superposition rheometry of colloidal gels: time-shear rate superposition. Soft Matter. 14 (42), 8651-8659 (2018).
- Colombo, G., et al. Superposition rheology and anisotropy in rheological properties of sheared colloidal gels. Journal of Rheology. 61 (5), 1035-1048 (2017).
- Jacob, A. R., Poulos, A. S., Kim, S., Vermant, J., Petekidis, G. Convective Cage Release in Model Colloidal Glasses. Physical Review Letters. 115 (21), 218301 (2015).
- Jacob, A. R., Poulos, A. S., Semenov, A. N., Vermant, J., Petekidis, G. Flow dynamics of concentrated starlike micelles: A superposition rheometry investigation into relaxation mechanisms. Journal of Rheology. 63 (4), 641-653 (2019).
- Moghimi, E., Vermant, J., Petekidis, G. Orthogonal superposition rheometry of model colloidal glasses with short-ranged attractions. Journal of Rheology. 63 (4), 533-546 (2019).
- Tao, R., Forster, A. M. End effect correction for orthogonal small strain oscillatory shear in a rotational shear rheometer. Rheologica Acta. 59 (2), 95-108 (2020).
- Schrag, J. L. Deviation of velocity gradient profiles from the “gap loading” and “surface loading” limits in dynamic simple shear experiments. Transactions of the Society of Rheology. 21 (3), 399-413 (1977).
- Ewoldt, R. H., Johnston, M. T., Caretta, L. M., Spagnolie, S. . Complex Fluids in Biological Systems. Biological and Medical Physics, Biomedical Engineering. , 207-241 (2015).
