ソフトマテリアルの大振幅振動せん断応答を勉強
Summary
ソフト材料の非線形振動せん断レオロジーを実行する方法および物理的なプロセスのシーケンスとして応答を理解する SPP ラオス分析を実行する方法をまとめた詳細なプロトコルを提案します。
Abstract
大振幅振動剪断 (ラオス) ジメチルスルホキシド (DMSO) で水にキサンタンガム ポリエチレンオキシド (PEO) の中に展示する物理的なプロセスのシーケンスを用いて、食品では、viscosifiers として使用される高分子溶液を濃縮 2高められたオイルの回復と土壌浄化。ソフト材料の非線形レオロジー的挙動を理解することは設計で重要、多くの消費者製品の製造を制御します。期間中にもう一度粘塑性変形と線形粘弾性から明確な移行の観点からのこれらの高分子溶液のラオスへの応答の解釈方法を示します。ラオスの結果は、分析を介して無料の MATLAB ベースのソフトウェアを使用して完全に定量的の物理的なプロセスのシーケンス (SPP) 手法。商業レオメータとラオスの測定を行う詳細なプロトコル、フリーウェア、非線形の応力応答の分析とラオスの下で物理的なプロセスの解釈が表示されます。SPP の枠組みの中でラオス応答が線形粘弾性、過渡的流れの曲線、および臨界ひずみの非線形性の発症の責任に関する情報には含まれている、それがさらに表示されます。
Introduction
濃厚高分子溶液は、主に食品1と他の消費者製品2、高められたオイルの回復3、および土壌修復4の粘度を増加する様々 な産業用アプリケーションで使用されます。処理、使用、時に、彼らは必ずしもタイム スケールの範囲にわたって大きな変形にさらされます。このようなプロセスの下で、彼らは流れまたは変形の条件1に依存するリッチで複雑な非線形レオロジー的挙動を示しています。これらの複雑な非線形レオロジー的挙動を理解することは、正常にプロセスを制御する、優れた製品の設計、エネルギー効率を最大化するために不可欠です。産業の重要性は別として、大量の均衡とは程遠い高分子材料のレオロジー的挙動を理解する上で学術の興味があります。
振動せん断試験定番のコンポーネントすべての徹底的なレオロジー特性のひずみとひずみ速度5、直交のアプリケーションのため、プローブの長さと時間を別々 に調整する機能スケール チューニングすることによって、振幅と周波数。位相ひずみとひずみ速度相、微小振幅振動せん断ひずみは、材料の内部構造を邪魔しないように十分に小さいへのストレス応答をコンポーネントに分解することができます。ひずみとひずみ速度と位相成分の係数は、総称と動的弾性率6,7, 貯蔵弾性率として個別に
、および損失係数
。動的弾性率は、弾性と粘性の解釈をオフに します。ただし、これらの動的弾性率に基づく解釈は、正弦波外力をストレス反応が正弦波でも、小さなひずみ振幅に対してのみ有効です。この政権は一般的に微小振幅振動せん断 (SAO) または線形粘弾性領域と呼ばれます。課された変形が大きくなると変化は材料の微細構造で誘導される非正弦波の過渡応力応答8の複雑さが反映されます。産業処理および消費者使用条件をもっと密接に模倣するこの rheologically 非線形領域における動的弾性率は、応答の悪い説明として機能します。理解する別の方法したがって集中ソフトマテリアルの動作のうち平衡が必要。
最近研究9,10、11,12,13,14,15,16の番号が示されている材料が通過多様な内サイクルの構造及びダイナミクスの変化は (ラオス) 体制拡大変形中の振幅振動せん断 (達の MAOS)15,17と大振幅振動せん断によって誘発されます。内サイクルの構造及びダイナミクスの変化拡散係数に変更、改革、ローカル再構成構造異方性微細構造の破損など、別の症状があります。非線形領域におけるこれらのサイクル内の物理的な変更は動的弾性率と単に解釈できない複雑な非線形応力応答に します。代わりに、非線形応力応答の解釈のためいくつかの方法が提案されています。この一般的な例として、フーリエ変換レオロジー (FT レオロジー)18、級数展開11、チェビシェフ説明19、および物理的なプロセス (SPP)5,8のシーケンス 13,14,20分析。これらの手法は、数学的に堅牢であること示されている、それはまだ非線形振動ストレス反応の明確かつ合理的な物理的な説明を提供するこれらのテクニックのいずれかどうか疑問です。構造と力学的措置に対応するレオロジー データの簡潔な解釈を提供する顕著な課題のままです。
最近の調査で SPP スキームを通して柔らかいガラス レオロジー (SGR) モデル8とコロイド高分子7振動せん断下の柔らかいガラスの非線形応力応答を調べた。非線形ストレス反応に内在する、弾性と粘性特性の経時変化は SPP モジュライで定量化された別々 に
、 
。さらに、一時的な係数によって表されるレオロジー的遷移だったメゾスコ ピック要素の分布によって表される微細構造の変化を正確に関連。SGR モデル8の研究でそのレオロジー的解釈を介してSPP 方式ソフト眼鏡の線形および非線形体制のすべての振動せん断条件下で身体の変化を正確に反映明確に示されました。柔らかいガラスの非線形応答の正確な物理的な解釈を提供する独自の機能により SPP メソッドの魅力的なアプローチ高分子溶液の非平衡ダイナミクスおよび他の柔らかい材料を調査している研究のため。
表示、三次元空間で発生するレオロジー的挙動周り SPP スキームを構築 (
) 株で構成される (
)、ひずみ率 (
) とストレス (
)5。数学的な意味でストレス反応は、ひずみとひずみ速度の多変数の関数として扱われます (
)。レオロジーは、軌道とみなされると(または多変数関数)、軌道のプロパティについて説明するためのツールが必要です。SPP のアプローチで一時的な係数とそのような役割を果たします。一時的な弾性率および粘性係数、歪みに対して応力の微分として定義されます (
) およびひずみ速度 (
)。差分の弾性と粘性係数の物理的な定義、続いて一時的な係数を定量化するストレス応答におけるひずみとひずみ速度の瞬時の影響, 他の分析方法は、いずれかを提供できないに対し弾性と粘性のプロパティについては別途。
SPP のアプローチは、振動せん断テストの解釈を富ませます。SPP 分析 SAO で線形のレオロジー的挙動にラオスの濃厚高分子溶液の複雑な非線形レオロジー的挙動を直接関連することができます。この作品を示すどのように最大の一時的な弾性率 (
最大) ひずみ近く極値は線形政体 (SAO) で貯蔵弾性率に対応します。さらに, どのように非定常粘性係数 ()、ラオスの中にサイクルは、定常流動曲線をトレースします。ほかにラオス、下を通過高分子溶液の濃縮プロセスの複雑なシーケンスの詳細を提供する SPP スキームもに関する情報提供材料の回復ひずみ。他のアプローチを通して得られるではない、この情報は、ストレスが削除されると、どの位材料が反跳の有用な尺度です。このような動作は、3 D 印刷アプリケーションと同様、スクリーン印刷、繊維の形成流れ停止に濃厚溶液の適性に影響を与える。5,8,13を明確に示すこと回復ひずみではない必ずしも最近の研究の数のひずみとして同じはラオスの実験中に課されます。例えば、ラオス13ソフト コロイド ガラスの研究が見つかりました回復ひずみ大幅大きい合計ひずみ (420%) 場合のみ 5% であること徴収されます。16,21,22,23,24もケージ係数21を使用して締結時点で線形弾性をラオスで観察可能、他の研究を閉じるひずみマキシマ、材料がそれらの瞬間で比較的小さな変形を経験したことを意味します。SPP スキームは、理解ラオスの価額と合計の系統の違いにつながる歪み平衡のシフトを占めている唯一のフレームワークです。
この記事は、2 つの濃厚高分子溶液、4 wt % キサンタンガム (XG) 水溶液 5 wt % PEO DMSO 溶液を使用してラオス解析フリーウェアのための詳しいプロトコルを提供することで理解と SPP 解析手法の使いやすさを容易に向けます。これらのシステムは、アプリケーションと rheologically 面白い性質の彼らの広い範囲のために選択されます。キサンタンガム、天然の高分子量の多糖類は、水性系のための非常に効果的なスタビライザー食品目的の viscosification を提供するために添加物としてまたは石油掘削の粘度を増加し、収量の点で一般的に適用されます。泥を掘削します。PEO は、ユニークな水性があり医薬品放出制御システムと土壌修復活動に使われます。これらの高分子系は、おおよその処理、トランスポート、および最終状態は、各種の振動せん断条件下でテストされます。流れ場簡単に近似できる応用振幅の独立制御をチューニングし、振動テストの周波数を課されるこれらの実用的な条件が必ずしも流れ振動せん断のように反転を含まないが。さらに、SPP 方式使用できます前述のように、最近提案した UD ラオスなど25、1 つで適用される大振幅振動の流れ逆転が含まれていないものを含むフローの種類の広い範囲を理解するには方向のみ (モニカー「単一指向性ラオス」につながる)。簡略化のため、例示目的のため、伝統的なラオスに周期的な流れの逆転が含まれて現在の研究を制限します。測定したレオロジー応答は、SPP アプローチで分析されます。読者の理解と使用状況を改善するために顕著な計算手順の簡単な説明で、SPP はソフトウェアを使用する方法を示します。レオロジー的遷移の種類が識別される場合によると SPP の分析結果を解釈するための凡例を導入します。材料の線形粘弾性応答に関する情報を格納する物理的なプロセスのシーケンスを明確に識別、様々 な振動せん断条件の下で 2 つのポリマーの代表 SPP 解析結果が表示されますと同様材料の定常流れ特性。
このプロトコルは、正確に非線形レオロジーの実験だけでなく、ステップバイ ステップを実行する方法の顕著な詳細を提供します図 1に示すように、分析や SPP フレームワークとレオロジー応答を理解することの案内します。まず設定や校正、高品質過渡データを収集市販レオメータを作るための特定のコマンドに続いてを紹介しています。レオロジー データを取得すると、SPP 解析フリーウェア、詳細なマニュアルを紹介します。さらに、線形政体周波数掃引と定常流れ曲線ラオスから得られた結果を比較することによって SPP スキーム内で 2 つの濃厚高分子溶液の時間依存性の反応を理解する方法をについて説明します。これらの結果は明確に出現できるようにその非線形過渡レオロジーのより詳細な画像を振動で明確なレオロジー状態間の遷移を高分子溶液を識別します。これらのデータは、製品形成、輸送、加工条件を最適化するために使用することができ、使用します。さらにこれらの時間依存の応答の光 (x 線や中性子小角散乱から得られる微細構造情報とレオロジーを結合することによって明らかにフォームに潜在的な経路構造プロパティ処理関係に与えるSAN、小角 x 線散乱、SAL、それぞれ)、顕微鏡検査、または詳細なシミュレーション。
Protocol
Representative Results
Discussion
商業レオメータを用いた大振幅振動せん断レオメトリー テストを正しく実行し、解釈し、2 つの異なる高分子溶液の非線形応力応答を理解する SPP 解析フリーウェアを実行する方法を説明しました。以前構造変化と相関させるコロイドの多数のシステムの理解を促進することが示されている、SPP のフレームワークは、高分子系にも同様に適用できます。ラオスへ 2 つの濃厚高分子溶液の反応?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者は、VIP 学術研究プログラムを通して 702 MCR レオメーター用アントン パールをありがとうございます。また、博士アビシェーク Shetty は計測器のセットアップ内のコメントに感謝我々。
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 |
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