Name: studying large amplitude oscillatory shear response of soft materials
Uploaded: 2019-04-25T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Studying Large Amplitude Oscillatory Shear Response of Soft Materials at JoVE.com

Forfatterne takke Anton Paar for brug af MCR 702 rheometer gennem deres VIP akademisk forskningsprogram. Vi takker også Dr. Abhishek Shetty for kommentarer i opsætningen af instrument.

1. rheometer Setup
<ol><li>Med den rheometer, der er konfigureret i SMT-mode (se note), vedhæfte de øvre og nedre drev geometrier. For at opretholde så tæt på en homogen shear felt som muligt, bruge en 50 mm plade (PP50) som den lavere stativ, og en 2-grad kegle (CP50-2) til øverste armaturet. Bemærk: Rheometer vi bruger (Se Tabel af materialer) kan konfigureres i enten en kombineret motor-transducer (CMT) eller separat motor transducer (SMT) tilstand. Med kun en enkelt motor integreret i rhe...

<ol>
	<li>Dolz, M., Hern&#225;ndez, M. J., Delegido, J., Alfaro, M. C., Mu&#241;oz, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+xanthan+gum+and+locust+bean+gum+upon+flow+and+thixotropic+behaviour+of+food+emulsions+containing+modified+starch.">Influence of xanthan gum and locust bean gum upon flow and thixotropic behaviour of food emulsions containing modified starch.</a> Journal of Food Engineering. 81 (1), 179-186 (2007).</li><li>Gupta, N., Zeltmann, S. E., Shunmugasamy, V. C., Pinisetty, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Applications+of+Polymer+Matrix+Syntactic+Foams.">Applications of Polymer Matrix Syntactic Foams.</a> JOM. 66 (2), 245-254 (2013).</li><li>Garc&#305;a-Ochoa, F., Santos, V. E., Casas, J. A., G&#243;mez, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Xanthan+gum:+production,+recovery,+and+properties.">Xanthan gum: production, recovery, and properties.</a> Biotechnology Advances. 18 (7), 549-579 (2000).</li><li>Chang, I., Im, J., Prasidhi, A. K., Cho, G. -. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+Xanthan+gum+biopolymer+on+soil+strengthening.">Effects of Xanthan gum biopolymer on soil strengthening.</a> Construction and Building Materials. 74, 65-72 (2015).</li><li>Rogers, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+search+of+physical+meaning:+defining+transient+parameters+for+nonlinear+viscoelasticity.">In search of physical meaning: defining transient parameters for nonlinear viscoelasticity.</a> Rheologica Acta. 56 (5), 501-525 (2017).</li><li>Ferry, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Viscoelastic properties of polymers. , (1980).</li><li>Bird, R. B., Armstrong, R. C., Hassager, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Dynamics of Polymeric Liquids. Volume 1: Fluid Mechanics. , (1987).</li><li>Park, J. D., Rogers, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+transient+behavior+of+soft+glassy+materials+far+from+equilibrium.">The transient behavior of soft glassy materials far from equilibrium.</a> Journal of Rheology. 62 (4), 869-888 (2018).</li><li>Rogers, S., Kohlbrecher, J., Lettinga, M. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+molecular+origin+of+stress+generation+in+worm-like+micelles,+using+a+rheo-SANS+LAOS+approach.">The molecular origin of stress generation in worm-like micelles, using a rheo-SANS LAOS approach.</a> Soft Matter. 8 (30), 7831-7839 (2012).</li><li>Lettinga, M. P., Holmqvist, P., Ballesta, P., Rogers, S., Kleshchanok, D., Struth, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nonlinear+Behavior+of+Nematic+Platelet+Dispersions+in+Shear+Flow.">Nonlinear Behavior of Nematic Platelet Dispersions in Shear Flow.</a> Phys Rev Lett. 109 (24), 246001 (2012).</li><li>Hyun, K., Wilhelm, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+of+nonlinear+oscillatory+shear+tests:+Analysis+and+application+of+large+amplitude+oscillatory+shear+(LAOS).">A review of nonlinear oscillatory shear tests: Analysis and application of large amplitude oscillatory shear (LAOS).</a> Progress in Polymer Science. 36 (12), 1697-1753 (2011).</li><li>Park, J. D., Ahn, K. H., Lee, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structural+change+and+dynamics+of+colloidal+gels+under+oscillatory+shear+flow.">Structural change and dynamics of colloidal gels under oscillatory shear flow.</a> Soft Matter. 11 (48), 9262-9272 (2015).</li><li>Lee, C. -. W., Rogers, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+sequence+of+physical+processes+quantified+in+LAOS+by+continuous+local+measures.">A sequence of physical processes quantified in LAOS by continuous local measures.</a> Korea-Australia Rheology Journal. 29 (4), 269-279 (2017).</li><li>Rogers, S. A., Erwin, B. M., Vlassopoulos, D., Cloitre, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+sequence+of+physical+processes+determined+and+quantified+in+LAOS:+Application+to+a+yield+stress+fluid.">A sequence of physical processes determined and quantified in LAOS: Application to a yield stress fluid.</a> Journal of Rheology. 55 (2), 435-458 (2011).</li><li>Wagner, M. H., Rolon-Garrido, V. H., Hyun, K., Wilhelm, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+medium+amplitude+oscillatory+shear+data+of+entangled+linear+and+model+comb+polymers.">Analysis of medium amplitude oscillatory shear data of entangled linear and model comb polymers.</a> Journal of Rheology. 55 (3), 495-516 (2011).</li><li>Radhakrishnan, R., Fielding, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shear+banding+in+large+amplitude+oscillatory+shear+(LAOStrain+and+LAOStress)+of+soft+glassy+materials.">Shear banding in large amplitude oscillatory shear (LAOStrain and LAOStress) of soft glassy materials.</a> Journal of Rheology. 62 (2), 559-576 (2018).</li><li>Bharadwaj, N. A., Ewoldt, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Constitutive+model+fingerprints+in+medium-amplitude+oscillatory+shear.">Constitutive model fingerprints in medium-amplitude oscillatory shear.</a> Journal of Rheology. 59 (2), 557-592 (2015).</li><li>Wilhelm, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fourier&#8208;Transform+Rheology.">Fourier&#8208;Transform Rheology.</a> Macromolecular Materials and Engineering. 287 (2), 83-105 (2002).</li><li>Ewoldt, R. H., Hosoi, A. E., McKinley, G. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=New+measures+for+characterizing+nonlinear+viscoelasticity+in+large+amplitude+oscillatory+shear.">New measures for characterizing nonlinear viscoelasticity in large amplitude oscillatory shear.</a> Journal of Rheology. 52 (6), 1427-1458 (2008).</li><li>Rogers, S. A., Lettinga, M. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+sequence+of+physical+processes+determined+and+quantified+in+large-amplitude+oscillatory+shear+(LAOS):+Application+to+theoretical+nonlinear+models.">A sequence of physical processes determined and quantified in large-amplitude oscillatory shear (LAOS): Application to theoretical nonlinear models.</a> Journal of Rheology. 56 (1), 1-25 (2011).</li><li>Rogers, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+sequence+of+physical+processes+determined+and+quantified+in+LAOS:+An+instantaneous+local+2D/3D+approach.">A sequence of physical processes determined and quantified in LAOS: An instantaneous local 2D/3D approach.</a> Journal of Rheology. 56 (5), 1129-1151 (2012).</li><li>Kim, J., Merger, D., Wilhelm, M., Helgeson, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microstructure+and+nonlinear+signatures+of+yielding+in+a+heterogeneous+colloidal+gel+under+large+amplitude+oscillatory+shear.">Microstructure and nonlinear signatures of yielding in a heterogeneous colloidal gel under large amplitude oscillatory shear.</a> Journal of Rheology. 58 (5), 1359-1390 (2014).</li><li>van der Vaart, K., Rahmani, Y., Zargar, R., Hu, Z., Bonn, D., Schall, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rheology+of+concentrated+soft+and+hard-sphere+suspensions.">Rheology of concentrated soft and hard-sphere suspensions.</a> Journal of Rheology. 57 (4), 1195-1209 (2013).</li><li>Poulos, A. S., Stellbrink, J., Petekidis, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flow+of+concentrated+solutions+of+starlike+micelles+under+large-amplitude+oscillatory+shear.">Flow of concentrated solutions of starlike micelles under large-amplitude oscillatory shear.</a> Rheologica Acta. 52 (8-9), 785-800 (2013).</li><li>Armstrong, M. J., Beris, A. N., Rogers, S. A., Wagner, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+shear+rheology+of+a+thixotropic+suspension:+Comparison+of+an+improved+structure-based+model+with+large+amplitude+oscillatory+shear+experiments.">Dynamic shear rheology of a thixotropic suspension: Comparison of an improved structure-based model with large amplitude oscillatory shear experiments.</a> Journal of Rheology. 60 (3), 433-450 (2016).</li><li>Calabrese, M. A., Wagner, N. J., Rogers, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+optimized+protocol+for+the+analysis+of+time-resolved+elastic+scattering+experiments.">An optimized protocol for the analysis of time-resolved elastic scattering experiments.</a> Soft Matter. 12 (8), 2301-2308 (2016).</li></ol>

Vi har vist, hvordan man korrekt udføre stor amplitude oscillerende shear rheometry test ved hjælp af en kommerciel rheometer, og at køre SPP analyse freeware til at fortolke og forstå de ulineære stress svar af to særskilte polymer løsninger. SPP ramme, som tidligere er blevet vist at korrelere med strukturelle ændringer og lette forståelser af talrige kolloid systemer, kan anvendes ligeligt på polymer systemer. Svar af to koncentreret polymere løsninger til LAOS er blevet undersøgt ved hjælp af SPP-ordning...

Koncentreret polymere løsninger anvendes i en bred vifte af industrielle applikationer primært for at øge viskositeten, herunder i fødevarer1 og andre forbruger produkter2, forbedret olie opsving3og jord oprydning4. Under deres behandling og anvendelse, er de nødvendigvis udsat for store deformationer over en række tidsfrister. Under sådanne processer dokumentere de rige og komplekse nonlinear rheologiske opførsel, der afhænger af flow eller deformation betingelser1. Forstå disse komplekse nonlinear rheologiske opførsel er afgørende for med held at kontrollere processer, designe overlegne produkter og maksimere energieffektiviteten. Bortset fra den industrielle betydning er der en stor del af akademisk interesse i at forstå de rheologiske opførsel af polymere materialer fra ligevægt.
Oscillerende shear tests er en korte komponent i enhver grundig rheologiske karakterisering ortogonale iværksættelsen af stamme og stamme sats5, og evne til selvstændigt styre længde og tid skalerer probed ved tuning af amplitude og frekvens. Stressrespons til lille amplitude oscillerende shear stammer, som er små nok ikke at forstyrre et materiale indre struktur, kan nedbrydes i komponenter, i fase med stammen og i fase med stamme sats. Koefficienter af komponenter i fase med stammen og stammen sats kollektivt betegnes som dynamiske moduli6,7, og individuelt som opbevaring modulus, <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq1.jpg"> </img>, og tab modulus, <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq2.jpg"> </img>. De dynamiske moduli giver klare elastisk og tyktflydende fortolkninger. Dog gælder fortolkninger baseret på disse dynamiske moduli kun for lille stamme amplituder, hvor stress reaktioner på sinusformet excitationer er også sinusformet. Dette regime er generelt omtales som lille amplitude oscillerende shear (SAOS) eller lineær viskoelastiske regime. Som den pålagte deformation bliver større, er ændringer induceret i den materielle mikrostruktur, som afspejles i kompleksiteten af ikke-sinusformede forbigående stress svar8. I denne rheologically ikke-lineære ordning, som nærmere efterligner industriel forarbejdning og forbruger skik betingelser, fungere de dynamiske moduli som dårlige beskrivelser af svaret. En anden måde at forstå hvordan koncentreret bløde materialer opfører sig ud af ligevægt er derfor påkrævet.
En række nylige undersøgelser9,10,11,12,13,14,15,16 har vist, at materialer passere gennem forskellige intra-cyklus strukturelle og dynamiske ændringer fremkaldes ved større deformationer i medium amplitude oscillerende shear (deres)15,17 og stor amplitude oscillerende shear (LAOS) regimer. Intra-cyklus strukturelle og dynamiske ændringer har forskellige manifestationer, som brud på mikrostruktur, strukturelle anisotropy, lokale rearrangementer, Reformationen og ændringer i diffusivity. Disse intra-cyklus fysiske ændringer i den ikke-lineære ordning føre til de komplekse nonlinear stress reaktioner, der simpelthen ikke kan fortolkes med de dynamiske moduli. Som et alternativ, er blevet foreslået flere tilgange til fortolkning af ikke-lineær stress svar. Almindelige eksempler på dette er Fourier transform reologi (FT reologi)18, power serien udvidelser11, Chebyshev beskrivelse19og rækkefølgen af fysiske processer (SPP)5,8, 13,14,20 analyse. Selv om alle disse teknikker har vist sig at være matematisk robust, er det stadig et ubesvaret spørgsmål, om nogen af disse teknikker kan give klare og fornuftige fysiske forklaringer af ulineære oscillerende stress reaktioner. Det er en enestående udfordring at give koncise fortolkninger af rheologiske data, der korrelerer til strukturelle og dynamiske foranstaltninger.
I en nylig undersøgelse, var blød glasagtig reologi (SGR) model8 og en blød glas lavet af kolloid stjerne polymerer7under oscillerende shear nonlinear stress reaktion analyseres gennem ordningen SPP. Temporal ændringer i egenskaberne elastisk og tyktflydende iboende i ikke-lineær stress svar var særskilt kvantificeres ved SPP moduli, <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq3.jpg"> og <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq4.jpg"> </img>. Derudover var rheologiske overgangen repræsenteres af de forbigående moduli præcist korreleret til mikrostrukturanalyse ændringer repræsenteret ved fordelingen af mesoskopisk elementer. I studiet af SGR model8, var det klart vist, at rheologiske fortolkning via ordningen SPP præcist afspejler de fysiske ændringer på alle oscillerende shear betingelser i de lineære og ulineære regimer for blød briller. Denne unikke evne til at give nøjagtige fysiske fortolkning af ikke-lineære svar bløde briller gør metoden SPP indflyvningen attraktiv for forskere studerer ud af ligevægt dynamikken i polymer løsninger og andre bløde materialer.
SPP-ordningen er bygget op omkring visning rheologiske opførsel som forekommer i en tre-dimensionelle rum (<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq5.jpg">), består af stammen (<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq6.jpg">), stamme sats (<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq7.jpg">), og stress (<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq8.jpg">)5. I matematisk forstand, stress svar behandles som multivariable funktioner af stamme og stamme sats (<img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq9.jpg">). Da de rheologiske opførsel betragtes som en bane i <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq5.jpg"> (eller en multivariable funktion), et værktøj for at diskutere egenskaberne for en bane er påkrævet. I SPP tilgang, de forbigående moduli <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq3.jpg"> og <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq4.jpg"> en rolle. Den forbigående elasticitetsmodul <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq3.jpg"> og tyktflydende modulus <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq4.jpg"> er defineret som partielle afledte af stress med hensyn til belastningen (<img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq10.jpg">) og hastigheden, belastning (<img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq11.jpg">). Efter fysisk begrebet differential elastisk og tyktflydende moduli kvantificere de forbigående moduli stamme og stamme sats øjeblikkelig indflydelse på stressrespons henholdsvis andre analysemetoder kan ikke fastsætte nogen oplysninger om egenskaber, elastisk og tyktflydende separat.
SPP tilgang beriger fortolkning af oscillerende shear tests. Med SPP analyse, kan den komplekse nonlinear rheologiske opførsel af koncentreret polymere løsninger i LAOS relateres direkte til den lineære rheologiske opførsel i SAOS. Vi viser i dette arbejde hvor den maksimale forbigående elasticitetsmodul (<img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq12.jpg">max) i nærheden af stammen extrema svarer til opbevaring modulus i den lineære ordning (SAOS). Derudover viser vi hvordan den forbigående tyktflydende modulus (<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq4.jpg">) under en LAOS cyklus spor steady state flow kurve. Ud over at give nærmere oplysninger om den komplekse sekvens af processer, koncentreret polymer løsninger går igennem under LAOS, giver Ordningen SPP også oplysninger om Genoprettelige stammen i materialet. Denne information, som ikke er kan fås gennem andre tilgange, er en nyttig målestok for hvor meget materiale vil rekyl når stress er fjernet. Sådan adfærd har indvirkning på trykproces af koncentreret løsninger til 3D udskrivning applikationer, samt serigrafi, fiber dannelse og flow ophør. En række nylige undersøgelser5,8,13 viser tydeligt, at det godtgoeres stamme ikke er nødvendigvis det samme som stammen pålagde i LAOS eksperimenter. For eksempel, fandt en undersøgelse af bløde kolloid briller under LAOS13 , at det godtgoeres stamme er kun 5% når betydeligt større samlede stamme (420%) er pålagt. Andre undersøgelser,16,21,22,23,24 ved hjælp af bur modulus21 også konkludere, at lineære elasticitet kan overholdes under LAOS på tidspunkt lukker at stamme maxima, hvilket indebærer, at materialerne oplevet relativt små deformation på disse øjeblikke. SPP-ordningen er den eneste ramme for forståelse LAOS at regnskaberne for et skift i den stamme balance, der fører til en forskel mellem de inddrivelige og de samlede stammer.
Denne artikel har til formål at lette forståelser og brugervenligheden af SPP analysemetode ved at give en detaljeret protokol for en LAOS analyse freeware, ved hjælp af to koncentreret polymer løsninger, en 4 wt % xanthangummi (XG) vandig opløsning og en 5 wt % PEO i DMSO løsning. Disse systemer er valgt på grund af deres brede vifte af ansøgning og rheologically interessante egenskaber. Xanthangummi, en naturlig høj molekylvægt polysaccharid, er en særdeles effektiv stabilisator for vandige systemer og almindeligt anvendt som en fødevaretilsætningsstoffet at give ønskede viscosification eller i olieboring for at øge viskositeten og give point af boring mudder. Jeanett har en unik hydrofil ejendom og bruges ofte i farmaceutiske produkter og kontrolleret frigivelse systemer samt jord oprydning aktiviteter. Disse polymere systemer afprøves under forskellige oscillerende shear forhold, der har til formål at tilnærme forarbejdning, transport og slutbrug betingelser. Selv om disse praktiske betingelser ikke må nødvendigvis omfatte flow vending som oscillerende shear, feltet flow kan tilnærmes nemt og afstemt med den uafhængige kontrol af anvendt amplitude og pålagt frekvens i en oscillerende test. Desuden kan ordningen SPP bruges som beskrevet her til at forstå en bred vifte af flowtyper, herunder dem, der ikke omfatter flow tilbageførsler som de foreslog for nylig UD-LAOS25, hvor stor amplitude svingninger er anvendt i en retning kun (fører til moniker "uni-directional LAOS"). For enkelhed, og til orientering begrænser vi den nuværende undersøgelse til traditionelle LAOS, som omfatter periodiske flow tilbageførsel. De målte rheologiske svar der analyseres med SPP tilgang. Vi demonstrere, hvordan at bruge SPP software med enkle forklaringer på iøjnefaldende beregningstrin for at forbedre læsernes forståelse og skik. En legende for at fortolke SPP analyseresultater er indført, efter som typen af rheologiske overgangen er identificeret. Repræsentant SPP analyseresultater af de to polymerer på forskellige betingelser, oscillerende shear vises, i hvilket vi klart identificere en sekvens af fysiske processer, der indeholder oplysninger om materialets lineær viskoelastiske svar samt steady-state flowegenskaber af materialet.
Denne protokol giver iøjnefaldende detaljer om hvordan du præcist udføre nonlinear rheologiske eksperimenter samt en trin for trin guide til at analysere og forstå rheologiske svar med SPP ramme, som vist i figur 1. Vi begynder ved at give en introduktion til instrument setup og kalibreringer, efterfulgt af specifikke kommandoer for at gøre en kommercielt tilgængelig rheometer indsamle forbigående data af høj kvalitet. Når de rheologiske data har opnået, introducere vi SPP analyse freeware, med en detaljeret manual. Yderligere, vi diskuterer hvordan man kan forstå tidsafhængig svar af de to koncentrerede polymer løsninger inden for ordningen med SPP ved at sammenligne resultaterne fra LAOS med lineær-regimet frekvens feje og steady-state flow kurve. Disse resultater klart identificere at polymer løsninger overgang mellem forskellige rheologiske stater inden for en svingning, giver mulighed for en mere detaljeret billede af deres ikke-lineære forbigående reologi at dukke op. Disse data kan bruges til at optimere behandlingen betingelser for produkt dannelse, transport, og bruge. Disse tidsafhængig svar yderligere giver potentielle veje til klart form struktur-ejendom-behandling relationer ved at koble reologi med mikrostrukturanalyse oplysninger fra små-vinkel spredning af neutroner, x-stråler eller lys) SANS, SAXSA og SALS, henholdsvis), mikroskopi eller detaljerede simuleringer.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>SPP analysis software</td>
			<td>Simon Rogers Group (UIUC)</td>
			<td>SPPplus_v1p1</td>
			<td>Attached as supplementary files</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB</td>
			<td>Mathwork</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rheometer</td>
			<td>Anton Paar</td>
			<td>MCR 702 TwinDrive</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>50mm 2-degree cone</td>
			<td>Anton Paar</td>
			<td>CP50-2</td>
			<td>Upper measuring system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>50mm plate</td>
			<td>Anton Paar</td>
			<td>PP50</td>
			<td>Lower measuring system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Xanthan gum (XG)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>11138-66-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyethylene oxide (PEO)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>25322-68-3</td>
			<td>Mv=1,000,000</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dimethyl sulfoxide (DMSO)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>67-68-5</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

studying large amplitude oscillatory shear response of soft materials

Vi undersøger sekvensen af fysiske processer udstillet under stor amplitude oscillerende klipning (LAOS) af polyethylen oxid (PEO) i dimethylsulfoxid (DMSO) og xanthangummi i vand — to koncentreret polymer løsninger anvendes som viscosifiers i fødevarer, forbedret olieindvinding, og jord oprydning. Forstå den ulineære rheologiske opførsel af bløde materialer er vigtigt i design og kontrolleret fremstilling af mange produkter. Det er vist, hvordan svar til LAOS af disse polymer løsninger kan tolkes en tydelig overgang fra lineære viscoelasticity til viscoplastic deformation og tilbage igen i en periode. LAOS resultater er analyseret via den fuldt kvantitative sekvens af fysiske processer (SPP) teknik, ved hjælp af gratis MATLAB-baseret software. En detaljeret protokol for at udføre en LAOS måling med en kommerciel rheometer, analysere nonlinear stress svar med freeware, og fortolker fysiske processer under LAOS er præsenteret. Det er yderligere vist at inden SPP LAOS svar indeholder oplysninger om den lineære viscoelasticity, forbigående flow kurver og den kritiske belastning ansvarlig for igangsættelsen af nonlinearity.

Repræsentative resultater af SPP analyse fra XG og PEO/DMSO løsninger under oscillerende shear tests er præsenteret i tal 4 og 5. Først præsenterer vi de rå data som elastik (<img alt="Equation 30" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq30.jpg">) og tyktflydende (<img alt="Equation 31" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq31.jpg">) Lissajous-Bowditch kurver i tal 4a, 4b, 5a og 5b. Fuldt...

Watch this Scientific Journal Video about Studying Large Amplitude Oscillatory Shear Response of Soft Materials at JoVE.com

Studying Large Amplitude Oscillatory Shear Response of Soft Materials

Vi præsenterer en detaljeret protokol skitserer, hvordan man udfører nonlinear oscillerende shear reologi på bløde materialer, og hvordan man køre SPP-LAOS analyse for at forstå svarene som en sekvens af fysiske processer.

At studere stor Amplitude oscillerende Shear svar af bløde materialer

We investigate the sequence of physical processes exhibited during large amplitude oscillatory shearing (LAOS) of polyethylene oxide (PEO) in dimethyl ...

Denne metode kan hjælpe med at besvare vigtige spørgsmål inden for blød stof, såsom sammenhængen mellem makroskopiske og mikroskopiske svar. Den største fordel ved metoden er, at den kan kvantificere materialernes viskoelastiske egenskaber gennem et reologisk eksperiment i modsætning til de traditionelle metoder, der giver gennemsnitlig information. Selv om denne metode kan give indsigt i polymere materialer, det kan også gælde for andre systemer, såsom kolloid geler og briller og biologiske materialer.Arbejd med et Rheometer, der kan udføre målinger af pletkontrol. Først skal du fastgøre de øvre og nedre drevgeometrier. Brug en 50 mm plade til den nederste armatur.Brug en to graders kegle til den øverste armatur. Dernæst nulstille hullet, kalibrere målingerne, og indstille temperaturen. Når disse trin er udført, skal du åbne hullet i geometrierne fra nul, så lastematerialet kan testes.Gå videre for at få materialet til test. I dette tilfælde er det polyethylenoxid i DMSO, med rødt farvestof til demonstration. Med en spatel, indlæse materialet på toppen af bunden geometri.Sørg for, at der ikke er indkapsling til luftbobler i prøven i rheometeret. Arbejd med målesystemerne, der er indstillet til at trimme mellemrum. Brug en firkantet spatel i slutningen af geometrien til forsigtigt at trimme overskydende materiale.Vend tilbage til målegabet, før du fortsætter. Kør sinusoidal oscillatory shear test ved hjælp af software. Gå til Mine apps.Find og åbn Stor Amplitude Oscillatory Shear. Gå derefter til måleboksen. Klik på stammevariablen der.Angiv den oprindelige og endelige værdi for en stamme amplitude sweep. henholdsvis 1 og 4000 procent. Angiv den pålagte frekvens.Sæt også det samlede antal stamme amplituder i det valgte område til 16. Markér afkrydsningsfeltet Hent bølgeform for at indsamle forbigående svar. Klik på knappen Start for at starte eksperimenterne.Data vil blive vist i løbet af den cirka fem minutters kørsel. Rheometeret kan også bruges til vilkårligt definerede deformationer. Opret en liste over stammeværdier i en ekstern fil for at definere den funktion, der skal anvendes.Gå til Rheometri-softwaren, og klik på Mine apps. Og klik på waveform tegn generator. Klik på belastningen i måleboksen.Derfra skal du klikke på Rediger. Indsæt de forudbestemte stammeværdier fra den eksterne fil på værdilisten. Angiv antallet af indtastede punkter, punktvarigheden og den tid, der skal justeres den pålagte frekvens.Når du er færdig, skal du markere boksen Hent bølgeform øverst. Klik derefter på knappen Start for at starte eksperimentet. Måledata vises på skærmen, efterhånden som eksperimentet skrider frem.Disse data er for en Xanthan Gum løsning under oscillerende forskydning test. Disse ikke-lineære stressbelastningskurver indikerer, at en sekvens af fysiske processer finder sted i materialet. Sekvens af fysiske processer og analyse software bestemmer forbigående moduli, der signalerer de elastiske og tyktflydende egenskaber af materialer.Deres udvikling afslører adfærd under store amplitude oscillerende klipning. Her er forekomsten af maksimal elasticitet næsten konstant på tværs af amplituder. Et plot af denne maksimale elasticitet observeret under store amplitude oscillerende klipning og den dynamiske moduli på tværs af rækken af amplituder afslører en klar korrespondance med de lineære regimer opbevaring modulus.Den elastiske belastning bestemmes af rækkefølgen af fysiske processer software på forekomsten af maksimal elasticitet er ca 16 procent, selv når den anvendte stamme er så stor som 4000 procent. Her er en sekvens af fysiske processer gennemgået af Xanthan Gum løsning. I viskoplastisk regime, analyse indikerer nul elasticitet.Efterhånden som forskydningsraten falder, stivner løsningen, hvilket indikerer, at dens struktur reformerer. Når tilstrækkelig stamme er erhvervet, der er en hurtig overgang fra elastisk til tyktflydende adfærd. Efter at have givet, svaret vender tilbage til Viscoplastic deformation regime og sekvenser forekommer i den modsatte retning.Efter sin udvikling, denne teknik bane vejen for forskere inden for blød stof reologi, for yderligere at udforske forbigående struktur ejendom forarbejdning relationer.

Education

Research

JoVE Core

JoVE Journal

Physics

Mechanical Engineering

Engineering

Unit 1

Internal Forces

Principal Stresses under a Given Loading

Equilibrium and Elasticity

SCIENTISTS IN ACTION

Controlling the Size, Shape and Stability of Supramolecular Polymers in Water

Styring af størrelse, form og stabilitet af supramolekylære polymerer i vand

For aqueous based supramolecular polymers, the simultaneous control over shape, size and stability is very difficult1. At the same time, the ability to do ...

Micro 3D Printing Using a Digital Projector and its Application in the Study of Soft Materials Mechanics

Micro 3D Udskrivning ved hjælp af en digital projektor og dens anvendelse i studiet af bløde materialer Mechanics

Buckling is a classical topic in mechanics. While buckling has long been studied as one of the major structural failure modes1, it has recently drawn new ...

Sub-nanometer Resolution Imaging with Amplitude-modulation Atomic Force Microscopy in Liquid

Sub-nanometer Resolution Imaging med Amplitude-modulation Atomic force mikroskopi i Liquid

Atomic force microscopy (AFM) has become a well-established technique for nanoscale imaging of samples in air and in liquid. Recent studies have shown ...

Studying Dynamic Processes of Nano-sized Objects in Liquid using Scanning Transmission Electron Microscopy

Studere dynamiske processer af Nano-størrelse Objekter i Liquid hjælp Scanning Transmission Electron Microscopy

Samples fully embedded in liquid can be studied at a nanoscale spatial resolution with Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) using a ...

Preparation of Liquid Crystal Networks for Macroscopic Oscillatory Motion Induced by Light

Forberedelse af flydende krystal netværk for makroskopisk oscillerende bevægelse fremkaldt af lys

A strategy based on doped liquid crystalline networks is described to create mechanical self-sustained oscillations of plastic films under continuous ...

Atmospheric Pressure Fabrication of Large-Sized Single-Layer Rectangular SnSe Flakes

Atmosfærisk tryk fabrikation af store lag rektangulære SnSe flager

Tin selenide (SnSe) belongs to the family of layered metal chalcogenide materials with a buckled structure like phosphorene, and has shown potential for ...

The Diffusion of Passive Tracers in Laminar Shear Flow

Diffusion af Passive røbestoffer i Laminar Shear Flow

A simple method to experimentally observe and measure the dispersion of a passive tracer in a laminar fluid flow is described. The method consists of ...

Fabrication of Soft Pneumatic Network Actuators with Oblique Chambers

Fabrikation af bløde pneumatisk netværk aktuatorer med skrå kamre

Soft pneumatic network actuators have become one of the most promising actuation devices in soft robotics which benefits from their large bending ...

Rapid Manufacturing of Thin Soft Pneumatic Actuators and Robots

Hurtig fremstilling af tynde, bløde pneumatiske aktuatorer og robotter

This protocol describes a method for rapid manufacturing of soft pneumatic actuators and robots with an ultrathin form factor using a heat press and a ...

Fabrication of Carbon-Based Ionic Electromechanically Active Soft Actuators

Fremstilling af kulstofbaserede ioniske elektromekanisk aktive softaktuatorer

Ionic electromechanically active capacitive laminates are a type of smart material that move in response to electrical stimulation. Due to the soft, ...