Étudier la réponse de grande Amplitude oscillatoire des matériaux souples

Summary

Nous présentons un protocole détaillé décrivant comment effectuer la rhéologie de cisaillement oscillatoire non linéaire sur matériaux tendres et comment faire pour exécuter l’analyse SPP-LAOS pour comprendre les réponses comme une séquence de processus physiques.

Abstract

Nous étudions la séquence des processus physiques exposés lors de grande amplitude oscillatoire tonte (LAOS) d’oxyde de polyéthylène (PEO) dans le diméthylsulfoxyde (DMSO) et gomme xanthane dans l’eau — deux solutions de polymère utilisées comme viscosifiers dans les aliments, concentrées récupération assistée du pétrole et assainissement des sols. Comprendre le comportement rhéologique non linéaire des matériaux mous est important dans la conception et contrôle la fabrication de nombreux produits de consommation. Il est montré comment la réponse au LAOS de ces solutions de polymère peut être interprétée comme une transition claire de viscoélasticité linéaire à déformation viscoplastique et retour à nouveau au cours d’une période. Les résultats du LAOS sont analysés par la technique entièrement quantitative de la séquence de processus physiques (SPP), utilisant des logiciels libres basé sur MATLAB. Un protocole détaillé d’effectuer une mesure de LAOS avec un rhéomètre commerciaux, analyser les réactions de stress non linéaires avec le freeware et interpréter les processus physiques sous LAOS sont présenté. On montre également que, dans le cadre de la PSP, une réponse de LAOS contient des informations relatives à la viscoélasticité linéaire, les courbes d’écoulement transitoire et la responsables de l’apparition de non-linéarité de souche critique.

Introduction

Solutions concentrées de polymères sont utilisées dans une variété d’applications industrielles principalement pour augmenter la viscosité, y compris en aliments¹ et autres produits par un consommateur²de récupération assistée du pétrole³et de remédiation de sol⁴. Au cours de leur transformation et leur utilisation, ils sont nécessairement soumis aux grandes déformations sur une gamme d’échelles de temps. En vertu de ces processus, ils démontrent riches et complexes non linéaires rhéologiques des comportements qui dépendent de l’écoulement ou la déformation des conditions¹. Comprendre ces comportements rhéologiques non linéaires complexes est indispensable pour contrôler les processus avec succès, conception de produits de qualité supérieure et maximiser l’efficacité énergétique. En dehors de l’importance industrielle, il y a énormément d’intérêt théorique pour comprendre les comportements rhéologiques des matériaux polymères, loin de l’équilibre.

Des essais de cisaillement oscillatoires sont une composante discontinue de chaque caractérisation rhéologique complète en raison de l’application orthogonale de déformation et de contrainte tarifaire⁵et la capacité de contrôler indépendamment la durée et l’heure échelles sondée par le réglage de la amplitude et fréquence. La réaction de stress aux déformations de cisaillement oscillatoire de faible amplitude, qui sont assez petits à ne pas déranger la structure interne d’un matériau, peut être décomposée en éléments en phase avec la souche et en phase avec la vitesse de déformation. Les coefficients des composantes en phase avec la souche et la vitesse de déformation sont désignés collectivement comme les modules d’élasticité dynamique^6,7et individuellement comme le module de stockage, et le module de perte, . Les modules dynamiques conduisent à dégager des interprétations élastiques et visqueuses. Cependant, les interprétations basées sur ces modules dynamiques sont valables uniquement pour les amplitudes de petite souche, où les réponses de stress aux excitations sinusoïdales sont également sinusoïdales. Ce régime est généralement dénommé le cisaillement oscillatoire de faible amplitude (HRA), ou le régime viscoélastique linéaire. Comme la déformation imposée devient plus grande, les changements sont induits dans la microstructure du matériau, qui se reflètent dans la complexité des contraintes transitoires non sinusoïdales réponses⁸. Dans ce régime rhéologiquement non linéaire, qui imite plus étroitement les conditions d’utilisation traitement et consommateurs industrielles, les modules dynamiques agissent comme mauvaise description de la réponse. Une autre façon de comprendre comment faire concentrés matériaux souples se comportent sur équilibre est donc requis.

Un certain nombre de récentes études^{9,10,11,12,13,14,15,16} ont montré que les matériaux passent par divers intra-cycle des changements structuraux et dynamiques induites par grandes déformations dans la moyenne amplitude oscillatoire cisaillement (MAOS)^15,17 et cisaillement oscillatoire de grande amplitude des régimes (LAOS). L’intra-cycle des changements structuraux et dynamiques ont différentes manifestations, comme la rupture de la microstructure, anisotropie structurel, réarrangements les, réforme et changements dans la diffusivité. Ces changements physiques intra-cycle dans le régime non linéaire entraînent les réactions de stress non linéaires complexes qui ne saurait être interprétées simplement avec les modules dynamiques. Comme alternative, plusieurs approches ont été suggérées pour l’interprétation des réponses des contraintes non linéaires. Des exemples courants de ceci sont Fourier transform rhéologie (rhéologie FT)¹⁸, série power expansion¹¹, la description de Chebyshev¹⁹et la séquence des processus physiques (SPP)^{5,8, 13,14,20} analyse. Bien que toutes ces techniques ont été montrés pour être mathématiquement robuste, c’est toujours une question sans réponse quant à savoir si toutes ces techniques peuvent fournir des explications claires et raisonnables de physiques des réactions au stress oscillatoire non linéaire. Il reste un défi exceptionnel pour fournir des interprétations concises des données rhéologiques qui correspondent aux mesures structurelles et dynamiques.

Dans une étude récente, la réaction de stress non linéaire de la rhéologie vitreux Soft (SGR) modèle⁸ et un verre souple fait de polymères étoiles colloïdal⁷sous cisaillement oscillant a été analysée via le modèle de PSP. Les changements temporels dans les propriétés élastiques et visqueuses inhérentes dans les réactions de stress non linéaires ont été quantifiées séparément par les modules SPP., et . En outre, la transition rhéologique représentée par les modules transitoires une corrélation avec précision à des modifications microstructurales représentées par la distribution d’éléments mésoscopique. Dans l’étude du modèle SGR /⁸, il a été clairement démontré que cette interprétation rhéologiques via le système PSP reflète fidèlement les changements physiques dans toutes les conditions de cisaillement oscillant dans les régimes linéaires et non linéaires pour les verres douces. Cette capacité unique de fournir une interprétation physique précise des réponses non linéaires des verres soft rend la méthode SPP une approche intéressante pour les chercheurs qui étudient hors de l’équilibre dynamique des solutions de polymères et autres matériaux souples.

Le régime de la SPP est construit autour de regarde un comportement rhéologique qui se produisent dans un espace tridimensionnel () qui se compose de la souche (), vitesse de déformation () et le stress ()⁵. Dans un sens mathématique du terme, les réponses au stress sont traitées comme des fonctions multivariables de la souche et la vitesse de déformation (). Le comportement rhéologique est considéré comme une trajectoire dans (ou une fonction de plusieurs variables), un outil pour examiner les propriétés d’une trajectoire est requis. Dans l’approche de la SPP, les modules transitoires et jouer un tel rôle. Le module d’élasticité transitoire et le module visqueux sont définis comme les dérivées partielles de la contrainte à l’égard de la souche () et la vitesse de déformation (). Suite à la définition physique des différentiels modules élastiques et visqueux, les modules transitoires quantifier l’influence instantanée de souche et de la vitesse de déformation sur la réponse au stress respectivement, tandis que les autres méthodes d’analyse ne peuvent fournir aucune informations sur les propriétés élastiques et visqueuses séparément.

L’approche de la SPP enrichit l’interprétation des essais de cisaillement oscillatoire. L’analyse de la SPP, les comportements rhéologiques non linéaires complexes des solutions concentrées de polymères au LAOS peuvent être directement relies à des comportements rhéologiques linéaires en SAOS. Dans ce travail, nous montrons comment le module d’élasticité transitoire maximale (_max) près de la souche extrema correspond au module de stockage dans le régime linéaire (HRA). De plus, nous montrons comment le module visqueux transitoire () au cours d’un LAOS cycle trace la courbe d’écoulement stationnaire. En plus de fournissant des détails de la séquence complexe de processus qui polymère solutions concentrées traverser sous le LAOS, le système PSP fournit également des informations concernant la souche récupérable dans le matériau. Cette information, qui n’est pas obtenue par d’autres approches, est une mesure utile de combien un matériau sera recul dès que la contrainte est supprimée. Un tel comportement influe sur l’imprimabilité de solutions concentrées pour les applications d’impression 3D, ainsi que sérigraphie, formation de fibre et cessation de l’écoulement. Un certain nombre d’études récentes,^5,8,13 indiquent clairement que la souche récupérable n’est pas nécessairement identique à la souche imposées au cours d’expériences de LAOS. Par exemple, une étude de douces lunettes colloïdales sous LAOS¹³ a révélé que la souche récupérable est seulement de 5 % lorsque significativement plus grand total de la souche (420 %) Il est obligatoire. D’autres études^{16,21,22,23,24} , à l’aide de la cage module²¹ également conclure que l’élasticité linéaire peut être observée sous LAOS au point de fermer pour les maxima de souche, ce qui implique que les matériaux ont connu une déformation relativement faible à ces instants. Le régime de la SPP est le seul cadre pour comprendre au LAOS qui représente un changement dans l’équilibre de la souche qui conduit à une différence entre les récupérables et les souches totales.

Cet article vise à faciliter les compréhensions et facilité d’utilisation de la méthode d’analyse SPP en fournissant un protocole détaillé pour un freeware d’analyse au LAOS, à l’aide de deux solutions de polymères concentrés, une solution aqueuse 4 wt % gomme de xanthane (XG) et un 5 % en poids PEO en solution de DMSO. Ces systèmes sont choisis en raison de leur large éventail d’application et rhéologiquement des propriétés intéressantes. Gomme de xanthane, un polysaccharide naturel de haut poids moléculaire, est un stabilisateur exceptionnellement efficace pour les systèmes aqueux et couramment appliqués comme additif pour fournir viscosification désirée ou pour augmenter la viscosité et donnent des points de forage pétrolier boues de forage. PEO possède une propriété hydrophile unique et est souvent utilisé dans les produits pharmaceutiques et de systèmes de libération contrôlée ainsi que des activités d’assainissement du sol. Ces systèmes polymériques sont testées dans diverses conditions de cisaillement oscillatoire qui visent à rapprocher le traitement, le transport et les conditions d’utilisation finale. Bien que ces conditions pratiques ne peuvent pas nécessairement inversion de flux comme en cisaillement oscillant, le champ d’écoulement peut être facilement approché et réglé avec la commande indépendante de l’amplitude appliquée et imposé la fréquence lors d’un test oscillatoire. En outre, le système PSP peut être utilisé tel que décrit ici à comprendre un large éventail de types de flux, y compris ceux qui ne comprennent pas les inversions de flux comme l’a récemment proposé UD-LAOS²⁵, dans lequel des oscillations de grande amplitude sont appliquées dans l’un sens unique (conduisant au moniker « unidirectionnel LAOS »). Pour plus de simplicité et à titre illustratif, nous limitons l’étude actuelle au LAOS traditionnel, ce qui inclut inversion de flux périodique. Les réactions mesurées rhéologiques sont analysées avec l’approche de la SPP. Nous montrons comment utiliser le logiciel PSP avec des explications simples sur les mesures de calcul saillant pour améliorer la compréhension et l’utilisation des lecteurs. Une légende pour interpréter les résultats d’analyse SPP est introduite, selon laquelle le type de transition rhéologique est identifié. Résultats de l’analyse des deux polymères dans diverses conditions de cisaillement oscillatoire représentant SPP sont affichés, dans lequel nous identifier clairement une séquence de processus physiques qui contient des informations sur la réponse viscoélastique linéaire du matériau ainsi que les propriétés d’écoulement stationnaire de la matière.

Ce protocole prévoit détails saillants effectuer avec précision des expériences rhéologiques non linéaires, mais aussi une étape par étape guide pour analyser et comprendre les réponses rhéologiques à l’infrastructure de la PSP, comme illustré à la Figure 1. On commence par une introduction au réglage de l’instrument et étalonnages, suivies par des commandes spécifiques pour faire un rhéomètre disponible dans le commerce recueillent des données transitoires de haute qualité. Une fois les données rhéologiques ont été collectées, nous introduisons le SPP analyse freeware, avec un manuel détaillé. De plus, nous discutons comment comprendre la réponse dépendant du temps des deux solutions concentrées de polymère dans le système de la PSP, en comparant les résultats obtenus du LAOS avec le balayage de fréquence linéaire-régime et la courbe d’écoulement stationnaire. Ces résultats d’identifier clairement que les solutions de polymère de transition entre des États distincts rhéologiques dans une oscillation, permettant une image plus détaillée de leur rhéologie transitoire non linéaire à émerger. Ces données peuvent servir à optimiser les conditions de traitement pour la formation des produits, transport et l’utilisation. Ces réponses dépendent du temps de plus fournissent des voies possibles pour former clairement des relations structure-propriété-traitement en couplant la rhéologie des microstructures informations provenant de petits angles diffusion de neutrons, radiographies ou léger ( San, SAXS et SALS, respectivement), microscopie, ou des simulations détaillées.

Protocol

1. rhéomètre Setup Avec le rhéomètre configuré en mode SMT (voir note), attacher les géométries d’entraînement supérieur et inférieur. Pour maintenir aussi près d’un champ de cisaillement homogène que possible, utilisez une plaque de 50 mm (PP50) comme l’armature inférieure et un cône de 2 degrés (CP50-2) pour l’armature supérieure.Remarque : Le rhéomètre nous utilisons (voir la Table des matières) peut être configuré dans un ensemble moteur-transducteur (CMT) …

Representative Results

Résultats représentatifs de l’analyse SPP de solutions XG et PEO/DMSO sous des essais de cisaillement oscillatoires sont présentés aux Figures 4 et 5. Nous présentons d’abord les données brutes comme élastique () et visqueux () courbes de Lissajous-Bowditch dans les Figures 4 a, 4 b</stro…

Discussion

Nous avons démontré comment faire correctement une grande amplitude oscillatoire cisaillement rhéométrie tests à l’aide d’un rhéomètre commercial et exécuter le gratuiciel d’analyse SPP pour interpréter et comprendre les réactions de stress non linéaire des deux solutions distinctes de polymères. Le cadre de la PSP, qui a déjà démontré à mettre en corrélation avec des changements structurels et faciliter la compréhension de nombreux systèmes colloïdaux, peut être également appliqué aux syst?…

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