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

De auteurs bedanken Anton Paar voor gebruik van de MCR 702 rheometer via hun VIP-academisch onderzoek-programma. Wij danken ook Dr. Abhishek Shetty voor de reacties in de instellingen van het instrument.

1. rheometer Setup
<ol><li>Met de rheometer die zijn geconfigureerd in de modus SMT (zie opmerking), hechten de bovenste en onderste station geometrieën. Om zo dicht mogelijk bij een homogene schuintrekken veld mogelijk, door een 50 mm plaat (PP50) als de lagere meubilair en een 2-graden kegel (CP50-2) voor de bovenste armatuur te gebruiken. Opmerking: De rheometer wij gebruiken (Zie de Tabel van materialen) kan worden geconfigureerd in ofwel een gecombineerde motor-transducer (CMT) of aparte motor...

<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>

We hebben laten zien hoe grote amplitude oscillerende schuintrekken reometrie proeven met behulp van een commerciële rheometer correct te verrichten, en de SPP analyse freeware te interpreteren en begrijpen van de antwoorden van de niet-lineaire stress van twee verschillende Polymeeroplossingen uitvoeren. Het kader van het SPP, die eerder gebleken te correleren met de structurele veranderingen en afspraken van talrijke colloïdale systemen te bevorderen, kan ook worden toegepast op polymeersystemen. De reacties van twee...

Geconcentreerde polymere oplossingen worden gebruikt in allerlei industriële toepassingen vooral toe viscositeit, met inbegrip van in levensmiddelen1 en andere consumenten producten2, verbeterde olie herstel3en bodem sanering4. Tijdens hun verwerking en gebruik, zijn zij noodzakelijkerwijs onderworpen aan grote vervormingen over een bereik van tijdschalen. Zij aantonen onder dergelijke processen, rijke en complexe niet-lineaire Rheologische gedragingen die afhankelijk van de stroming of vervorming voorwaarden1. Inzicht in deze complexe niet-lineaire Rheologische gedrag is essentieel voor het succesvol beheren van processen, ontwerpen van superieure producten, en maximaliseren van de energieefficiëntie. Afgezien van het industriële belang is er een grote hoeveelheid academisch belang bij het begrijpen van de reologische gedrag van polymere materialen verre van evenwicht.
Oscillerende schuintrekken tests zijn een nietje component van elke grondige Rheologische karakterisering van vanwege de orthogonale toepassing van stam en de stam percentage5, en de mogelijkheid om onafhankelijk controle de lengte en tijd schalen peilden door tuning de amplitude en frequentie. De stressrespons te kleine amplitude oscillerende schuintrekken stammen, die klein genoeg is niet te verstoren, de interne structuur van een materiaal, kan worden ontleed in onderdelen in fase met de stam en in fase met stam tarief. De coëfficiënten van de componenten in fase met de stam en de stam percentage worden gezamenlijk aangeduid als de dynamische moduli6,7, en individueel als de opslag modulus, <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq1.jpg"> </img>, en verlies modulus, <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq2.jpg"> </img>. De dynamische moduli leiden tot het wissen van elastisch en viskeuze interpretaties. Interpretaties gebaseerd op deze dynamische modules zijn echter alleen geldig voor kleine stam amplitudes, waar de stress reacties op sinusvormige excitaties ook sinusvormige zijn. Dit regime is over het algemeen aangeduid als de kleine amplitude oscillerende schuintrekken (SAOS), of het lineair visco-regime. Als de opgelegde vervorming groter wordt, worden veranderingen veroorzaakt in de materiële microstructuur, die worden weerspiegeld in de complexiteit van de niet-sinusvormige voorbijgaande stress reacties8. In dit rheologically niet-lineaire regime, die nauwer industriële verwerking en consument gebruiksvoorwaarden bootst, fungeren de dynamische moduli als slechte beschrijvingen van het antwoord. Een andere manier om te begrijpen hoe geconcentreerd zachte materialen gedragen uit evenwicht is dus nodig.
Een aantal recente studies9,10,11,12,13,14,15,16 hebben aangetoond dat materialen passeren Divers intra-cyclus structurele en dynamische veranderingen ontlokte door grotere vervormingen in de middelgrote amplitude oscillerende schuintrekken (MAOS)15,17 en grote amplitude oscillerende schuintrekken (LAOS) regimes. De intra-cyclus structurele en dynamische veranderingen hebben verschillende manifestaties, zoals breuk van de microstructuur, structurele anisotropie, lokale herschikkingen, Reformatie en wijzigingen in richtgetal. Deze intra-cyclus van fysieke veranderingen in het regime van niet-lineaire leiden tot de complexe niet-lineaire stress reacties die gewoon niet kunnen worden geïnterpreteerd met de dynamische moduli. Als alternatief, zijn verschillende benaderingen voorgesteld voor de interpretatie van de reacties van de niet-lineaire stress. Gangbare voorbeelden hiervan zijn Fourier transform reologie (FT reologie)18, machtreeks uitbreidingen11, de Tsjebysjev beschrijving19en de volgorde van de fysische processen (SPP)5,8, 13,14,20 analyse. Hoewel al deze technieken wiskundig robuust gebleken zijn, is het nog steeds een onbeantwoorde vraag of om het even welk van deze technieken duidelijke en redelijke fysieke stemverklaringen niet-lineair oscillerende stress reacties bieden kan. Het blijft een belangrijke uitdaging is te verstrekken beknopte interpretaties van Rheologische gegevens die aan structurele en dynamische maatregelen correleren.
In een recente studie, werd de niet-lineaire stressrespons van de Soft Glassy reologie (SGR) model8 en een zachte glas gemaakt van colloïdale ster polymeren7onder oscillerende schuintrekken geanalyseerd via de SPP-regeling. Tijdelijke wijzigingen in de eigenschappen elastische en viskeuze inherent niet-lineaire stress reacties werden afzonderlijk gekwantificeerd door de SPP-modules, <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq3.jpg"> en <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq4.jpg"> </img>. Bovendien was de Rheologische overgang vertegenwoordigd door de voorbijgaande moduli nauwkeurig gecorreleerd aan microstructurele veranderingen vertegenwoordigd door de verdeling van de mesoscopische elementen. In de studie van de SGR model8, werd duidelijk aangetoond dat Rheologische interpretatie via de SPP regeling komt nauwkeurig overeen met de fysieke veranderingen onder alle omstandigheden van de oscillerende schuintrekken in de lineaire en niet-lineaire regimes voor zachte bril. Deze unieke mogelijkheid om nauwkeurige fysieke interpretatie van niet-lineaire reacties van zachte glazen maakt de SPP-methode een aantrekkelijke aanpak voor onderzoekers bestuderen de dynamiek van de uit-van-evenwicht van Polymeeroplossingen en andere zachte materialen.
De SPP-regeling is gebouwd rond Rheologische gedrag als die zich voordoen in een driedimensionale ruimte weergeven (<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq5.jpg">) die bestaat uit de stam (<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq6.jpg">), stam tarief (<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq7.jpg">), en stress (<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq8.jpg">)5. In een wiskundige zin, de stress reacties worden behandeld als multivariabele functies van de stam en de stam percentage (<img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq9.jpg">). Zoals de Rheologische gedrag wordt beschouwd als een traject in <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq5.jpg"> (of een multivariabele functie), een hulpmiddel voor het bespreken van de eigenschappen van een traject is vereist. In de SPP-aanpak, het voorbijgaande moduli <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq3.jpg"> en <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq4.jpg"> die een rol spelen. De voorbijgaande elasticiteitsmodulus <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq3.jpg"> en viskeuze modulus <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq4.jpg"> worden gedefinieerd als de partiële afgeleiden van de stress met betrekking tot de spanning (<img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq10.jpg">) en de stam percentage (<img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq11.jpg">). Na de fysische definitie van differentiële elastisch en viskeuze moduli kwantificeren de voorbijgaande moduli de momentane invloed van spanning en spanning tarief op de stressrespons respectievelijk, terwijl andere analysemethoden geen om het even welk informatie over elastisch en viskeuze eigenschappen afzonderlijk.
De aanpak van de SPP verrijkt het interpreteren van de oscillerende schuintrekken. Met de analyse van de SPP, kunnen de complexe niet-lineaire Rheologische gedrag van geconcentreerde polymere oplossingen in LAOS rechtstreeks worden gerelateerd aan de lineaire Rheologische gedrag in SAOS. Wij in dit werk weergeven hoe de maximale voorbijgaande elasticiteitsmodulus (<img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq12.jpg">max) in de buurt van de stam extrema correspondeert met de modulus van de opslag in het lineaire stelsel (SAOS). Bovendien laten we zien hoe de voorbijgaande viskeuze modulus (<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq4.jpg">) tijdens een LAOS cyclus traceert de steady-state stroom curve. In aanvulling op verstrekken van details van de complexe reeks van processen die geconcentreerd Polymeeroplossingen doorlopen onder LAOS, bovendien de SPP-regeling informatie over de herstelbare stam in het materiaal. Deze informatie, die niet kunnen worden verkregen door middel van andere benaderingen, is een nuttige maatregel van hoeveel een materiaal zal terugslag zodra stress is verwijderd. Dergelijk gedrag heeft invloed op de bedrukbaarheid van geconcentreerde oplossingen voor 3D druktoepassingen, en zeefdruk, productieproces, alsmede stopzetting van de stroom. Een aantal recente studies,5,8,13 duidelijk aangeven dat de herstelbare stam is niet noodzakelijk hetzelfde als de stam opgelegd tijdens LAOS experimenten. Bijvoorbeeld, een studie van zachte colloïdale glazen onder LAOS13 gevonden dat de herstelbare spanning is slechts 5% wanneer de aanzienlijk grotere totaal stam (420%) wordt opgelegd. Andere studies16,21,22,23,24 met behulp van de kooi modulus21 ook concluderen dat lineaire elasticiteit kan worden waargenomen onder LAOS op het punt sluiten aan de stam maxima, hetgeen impliceert dat de materialen relatief kleine vervorming op die instants ervaren. De SPP-regeling is het enige kader voor begrip LAOS dat accounts voor een verschuiving in het evenwicht van de stam die tot een verschil tussen de vergoeding in aanmerking komen en de totale stammen leidt.
Dit artikel is gericht op het vergemakkelijken van afspraken en gebruiksgemak van de SPP-analysemethode door middel van een gedetailleerd protocol voor een LAOS analyse freeware, met behulp van twee geconcentreerde Polymeeroplossingen, een 4 wt % xanthaangom (XG) waterige oplossing en een 5% van de wt PEO in DMSO oplossing. Deze systemen zijn gekozen vanwege hun brede waaier van toepassing en rheologically interessante eigenschappen. Xanthaangom, een natuurlijke hoog-moleculair-gewicht polysaccharide, is een buitengewoon effectieve stabilisator voor waterige systemen en vaak toegepast als levensmiddelenadditief te verstrekken van de gewenste viscosification of in de olie boren ter vergroting van de viscositeit en de opbrengst van de punten van boren modders. PEO heeft een unieke eigenschap van hydrofiele en wordt vaak gebruikt in farmaceutische producten en gecontroleerde afgifte systemen, alsmede bodem sanering activiteiten. Deze polymeer systemen zijn getest onder verschillende omstandigheden oscillerende schuintrekken die bedoeld zijn voor de onderlinge aanpassing van de verwerking, vervoer en bij het eindgebruik voorwaarden. Hoewel deze praktijkomstandigheden kunnen niet noodzakelijk stroom omkering zoals oscillerende schuintrekken, het veld van de stroom gemakkelijk kan worden benaderd en afgestemd met de onafhankelijke controle van de toegepaste amplitude en frequentie in een oscillerende test opgelegd. Bovendien, de SPP-regeling kan worden gebruikt zoals hier beschreven te begrijpen van een breed scala aan stroom typen, inclusief de records die exclusief stroom terugboekingen zoals de onlangs voorgestelde UD-LAOS25 zijn, waarin grote amplitude oscillaties worden toegepast in een richting alleen (wat leidt tot de bijnaam "uni-directionele LAOS"). Voor eenvoud, en voor illustratieve doeleinden beperken we de huidige studie naar traditionele LAOS, die periodieke stroom omkering omvat. De gemeten Rheologische reacties worden geanalyseerd met de SPP-aanpak. We laten zien hoe de SPP-software gebruiken met eenvoudige uitleg over de meest opvallende Berekeningsstappen lezers begrip en gebruik te verbeteren. Een legenda voor het interpreteren van de resultaten van de analyse van de SPP wordt geïntroduceerd, volgens die welk type Rheologische overgang wordt geïdentificeerd. Vertegenwoordiger SPP-resultaten van de analyse van de twee polymeren vallende onder verschillende oscillerende schuintrekken omstandigheden worden weergegeven, waarin wij duidelijk identificeren een opeenvolging van fysische processen dat informatie over het materiaal lineair visco antwoord bevat, evenals de steady-state-flow-eigenschappen van het materiaal.
Dit protocol biedt saillante details voor het nauwkeurig uitvoeren van niet-lineaire Rheologische experimenten, evenals een stapsgewijze gids voor het analyseren en begrijpen Rheologische reacties met het kader van het SPP, zoals afgebeeld in Figuur 1. We beginnen door het verstrekken van een inleiding tot de installatie van het instrument en kalibraties, gevolgd door specifieke opdrachten voor het maken van een verkrijgbare rheometer kwalitatief hoogwaardige voorbijgaande gegevens verzamelen. Zodra de Rheologische gegevens hebben verkregen, introduceren we de SPP analyse freeware, met een gedetailleerde handleiding. Verder bespreken we hoe het begrijpen van de tijd-afhankelijke respons van de twee geconcentreerde Polymeeroplossingen binnen het stelsel van de SPP, door vergelijking van de resultaten verkregen uit LAOS met de lineaire-regime frequentie sweep en de stroom van de steady-state-curve. Deze resultaten duidelijk aangeven dat de Polymeeroplossingen overgang tussen verschillende Rheologische Staten in het kader van een trilling, waarmee voor een meer gedetailleerd beeld van hun niet-lineaire voorbijgaande reologie ontstaan. Deze gegevens kunnen worden gebruikt voor het optimaliseren van procescondities voor productvorming, vervoer en gebruik. Deze tijd-afhankelijke reacties verder bieden potentiële emissieroutes naar duidelijk vorm structuur-eigenschap-verwerking relaties door koppeling van de reologie microstructurele informatie verkregen uit kleine-hoek verstrooiing van neutronen, x-stralen of lichte ( SANS, SAXS en SALS, respectievelijk), microscopie, of gedetailleerde simulaties.

<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

We onderzoeken de opeenvolging van fysische processen tentoongesteld tijdens grote amplitude oscillerende scheren (LAOS) van polyethyleen oxide (PEO) in dimethylsulfoxide (DMSO) en xanthaangom in water — twee geconcentreerd Polymeeroplossingen gebruikt als viscosifiers in levensmiddelen, verbeterde oliewinning en bodemsanering. Inzicht in het niet-lineaire Rheologische gedrag van zachte materialen is belangrijk in het ontwerp en productie van vele consumentenproducten gecontroleerd. Het is aangetoond hoe het antwoord naar LAOS van deze Polymeeroplossingen kan geïnterpreteerd worden als een duidelijke overgang van lineaire viscoelasticity naar viscoplastic vervorming en terug opnieuw gedurende een periode. De LAOS resultaten zijn geanalyseerd via de volledig kwantitatieve opeenvolging van fysieke processen (SPP) techniek, met behulp van gratis MATLAB gebaseerde software. Een gedetailleerd protocol van het presteren van een LAOS meting met een commerciële rheometer, niet-lineaire stress reacties met de freeware analyseren en interpreteren van fysische procédés onder LAOS wordt gepresenteerd. Verder is aangetoond dat, in het kader van het SPP, een LAOS antwoord informatie met betrekking tot de lineaire viscoelasticity, de curven van de transiënte stroom, en de kritische belasting die verantwoordelijk zijn voor het ontstaan van niet-lineariteit bevat.

Representatieve resultaten van de analyse van de SPP uit XG en PEO/DMSO oplossingen onder oscillerende schuintrekken tests worden gepresenteerd in figuren 4 en 5. Eerst presenteren we de onbewerkte gegevens als elastische (<img alt="Equation 30" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq30.jpg">) en viskeus (<img alt="Equation 31" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq31.jpg">) Lissajous-Bowditch krommen in de figuren 4a, 4b, <st...

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

Presenteren we een gedetailleerd protocol waarin het uitvoeren van niet-lineair oscillerende schuintrekken reologie op zachte materialen, en het uitvoeren van de SPP-LAOS-analyse om de reacties te begrijpen als een sequentie van fysische processen.

Bestuderen van grote Amplitude oscillerende Shear reactie van zachte materialen

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

Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen op het gebied van zachte materie, zoals de correlatie tussen macroscopische en microscopische antwoorden. Het belangrijkste voordeel van de methode is dat het de visco-elastische eigenschappen van materialen kan kwantificeren tijdens een rheologisch experiment in tegenstelling tot de traditionele methoden die gemiddelde informatie bieden. Hoewel deze methode inzicht kan geven in polymere materialen, kan het ook van toepassing zijn op andere systemen, zoals colloïdale gels en glazen en biologische materialen.Werk met een Rheometer die vlekcontrolemetingen kan uitvoeren. Bevestig eerst de bovenste en onderste schijfgeometrieën. Gebruik voor de onderste armatuur een 50 mm plaat.Gebruik een kegel van twee graden voor de bovenste armatuur. Vervolgens nul de kloof, kalibreren van de metingen, en stel de temperatuur. Zodra deze stappen zijn voltooid, opent u het gat in de geometrieën vanaf nul om het belastingsmateriaal te laten testen.Ga verder om het materiaal te testen. In dit geval is het polyethyleenoxide in DMSO, met rode kleurstof voor demonstratie. Laad met een spatel het materiaal op de bovenkant van de onderste geometrie.Zorg ervoor dat er geen luchtbellen in het monster in de Rheometer worden ingeleid. Werk met de meetsystemen, ingesteld op trim kloof. Gebruik een vierkante spatel aan het einde van de geometrie om overtollig materiaal voorzichtig te trimmen.Keer terug naar de meetkloof, voordat u verdergaat. Voer de sinusoïdale oscillatory shear test met behulp van software. Navigeer naar Mijn apps.Vind en open Large Amplitude Oscillatory Shear. Ga vervolgens naar de meetbox. Klik daar op de stamvariabele.Voer de initiële en uiteindelijke waarde in voor een amplitude sweep van de stam. respectievelijk 1 en 4000 procent. Geef de opgelegde frequentie op.Stel ook het totale aantal stamamplitudes in het gekozen bereik in op 16. Schakel het selectievakje Golfvorm ophalen in om tijdelijke reacties te verzamelen. Klik op de knop Start om de experimenten te starten.De gegevens worden gedurende de ongeveer vijf minuten durende run weergegeven. De Rheometer kan ook worden gebruikt voor willekeurig gedefinieerde vervormingen. Maak in een extern bestand een lijst met stamwaarden om de toe te passen functie te definiëren.Ga naar de Rheometry-software en klik op Mijn apps. En klik op de waveform teken generator. Klik in het meetvak op de spanning.Klik vanaf daar op Bewerken. Plak in de lijst met waarden de vooraf bepaalde stamwaarden uit het externe bestand. Geef het aantal ingevoerde punten, de duur van het punt en de tijd om de opgelegde frequentie aan te passen.Wanneer u klaar bent, schakelt u het vak Van Waveform van de bovenkant ophalen in. Klik vervolgens op de knop Start om het experiment te starten. Meetgegevens worden op de monitor weergegeven naarmate het experiment vordert.Deze gegevens zijn voor een Xanthan Gum oplossing onder oscillatory shear tests. Deze niet-lineaire stress spanningscurven geven aan dat een opeenvolging van fysieke processen plaatsvinden binnen het materiaal. Volgorde van fysieke processen en analyse software bepaalt de voorbijgaande moduli die de elastische en viskeuze eigenschappen van materialen signalen.Hun evolutie onthult gedrag onder grote amplitude oscillatory scheren. Hier is het geval van maximale elasticiteit bijna constant voor amplitudes. Een plot van deze maximale elasticiteit waargenomen tijdens grote amplitude oscillatorie scheren en de dynamische moduli over het bereik van amplitudes onthult een duidelijke correspondentie met de lineaire regimes opslag modulus.De elastische stam bepaald door de volgorde van fysieke processen software bij het geval van maximale elasticiteit is ongeveer 16 procent, zelfs wanneer de toegepaste stam is zo groot als 4000 procent. Hier is een opeenvolging van fysieke processen ondergaan door de Xanthan Gum oplossing. In het Viscoplastische regime duidt analyse op nul elasticiteit.Naarmate het afschuifpercentage daalt, verstijft de oplossing, wat aangeeft dat de structuur hervormt. Zodra voldoende spanning is verworven, is er een snelle overgang van elastisch naar stroperig gedrag. Na het toegeven keert de respons terug naar het Viscoplastische vervormingsregime en vinden de sequenties plaats in de tegenovergestelde richting.Na de ontwikkeling, deze techniek effenen de weg voor onderzoekers op het gebied van zachte materie rheologie, om verder te verkennen voorbijgaande structuur eigendom verwerking relaties.

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

Het beheersen van de grootte, vorm en stabiliteit van de supramoleculaire polymeren in water

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 Printing Met behulp van een digitale projector en de toepassing ervan in de studie van de Soft Materials Mechanica

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 met amplitude-modulatie Atomic Force Microscopy in 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

Het bestuderen van dynamische processen van Nano-sized Objecten in Vloeistof met behulp van 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

Voorbereiding van vloeibare kristallen netwerken macroscopische oscillerende beweging door licht geïnduceerde

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

Luchtdruk fabricage van grote en middelgrote enkellaags rechthoekig SnSe vlokken

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

De verspreiding van passieve verklikstoffen in Shear laminaire 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

Fabricage van zachte pneumatische netwerk Actuators met schuine Chambers

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

Snelle fabricage van dunne zachte pneumatische aandrijvingen en robots

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

Fabricage van carbon-based Ionische elektromechanisch actieve zachte actuatoren

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