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

Författarna tackar Anton Paar för användning av de MCR 702 reometer genom deras VIP akademisk forskningsprogram. Vi tackar också Dr Abhishek Shetty för kommentarer i instrumentet setup.

1. reometer Setup
<ol><li>Med den reometer som konfigurerats i SMT-läge (se anmärkning), bifoga övre och nedre bilresa geometrier. För att bibehålla så nära ett homogent skjuvning fält som möjligt, använda en 50 mm platta (PP50) som lägre fixturen och en 2-gradig kon (CP50-2) för övre fixturen. Obs: Reometer vi använder (se Tabell för material) kan konfigureras i antingen en kombinerad motor-givare (CMT) eller separat motor givaren (SMT) läge. Med bara en enda motor integrerade i reo...

<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 visat hur man korrekt utföra stor amplitud oscillerande reometri skjuvprov använder en kommersiell reometer, och att köra SPP analys freeware för att tolka och förstå de ickelinjära stressreaktioner i två distinkta polymerlösningar. Ramen för SPP, som tidigare har visat sig korrelera med strukturförändringar och underlätta förståelser av talrika kolloidala system, kan tillämpas lika på polymera system. Svaren från två koncentrerade polymera lösningar till LAOS har undersökts med hjälp av SPP ...

Koncentrerad polymera lösningar används i en mängd olika industriella tillämpningar främst för att öka viskositeten, inklusive i livsmedel1 och annan konsument produkter2, förbättrad oil recovery3och jord sanering4. Under deras bearbetning och användning utsätts de nödvändigtvis för stora deformationer över ett antal olika tidsskalor. Under sådana processer visar de rika och komplexa olinjära reologiska beteenden som beror på det flöde eller deformation villkor1. Förstå dessa komplexa olinjära reologiska beteenden är avgörande för framgångsrikt styra processer, designa överlägsna produkter och maximera energieffektiviteten. Bortsett från den industriella betydelsen finns det en hel del av akademiskt intresse för att förstå den reologiska beteenden av polymera material långt från jämvikt.
Oscillerande skjuvprov är en krampa komponent i varje grundlig reologisk karaktärisering på grund av ortogonala tillämpningen av stam och stam takt5, och förmågan att självständigt kontrollera längd och tid skalor sonderade genom att trimma den amplitud och frekvens. Stress svaret till liten amplitud oscillerande skjuvning stammar, som är tillräckligt små för att inte störa en materialets inre struktur, kan delas upp i komponenter i fas med stam och i fas med stam. Koefficienterna för komponenterna i fas med stammen och andelen stam avses kollektivt som dynamiska moduli6,7, och individuellt som lagring modulus, <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq1.jpg"> </img>, och förlust modulus, <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq2.jpg"> </img>. De dynamiska moduli leda till klara elastiska och viskösa tolkningar. Tolkningar utifrån dessa dynamiska moduli är dock giltiga endast för små stam amplituder, där stress Svaren till sinusformad excitationer också är sinusformad. Denna regim är allmänt kallas den liten amplitud oscillerande skjuvning (SAOS) eller linjär viskoelastiska regimen. Som påtvingade deformationen blir större, induceras förändringar i den materiella mikrostrukturen, vilket återspeglas i komplexiteten i den icke-sinusformade övergående stress svar8. I denna rheologically ickelinjära regim, som närmare härmar industriell bearbetning och konsumenten användningsförhållandena, fungera de dynamiska moduli som fattiga beskrivningar av svaret. Ett annat sätt att förstå hur koncentrerad mjuka material beter av jämvikt krävs därför.
Ett antal senaste studier9,10,11,12,13,14,15,16 har visat att material passera genom skiftande intra-cykel strukturella och dynamiska förändringar framkallas av större deformationer i den medelstor amplitud oscillerande skjuvning (MAOS)15,17 och stor amplitud oscillerande skjuvning (LAOS) regimer. De intra-cykel strukturella och dynamiska förändringarna har olika manifestationer, såsom brott på mikrostruktur, strukturella anisotropi, lokala omflyttningar, reformationen och förändringar i diffusivitet. Dessa fysiska förändringar för intra-cykel i ickelinjära regimen leda till de komplexa olinjära stressreaktioner som helt enkelt inte kan tolkas med de dynamiska moduli. Som alternativ kan har flera metoder föreslagits för tolkningen av de ickelinjära stressreaktioner. Vanliga exempel på detta är Fourier transform reologi (FT reologi)18, power serien expansioner11, Chebyshev Beskrivning19och sekvensen av fysikaliska processer (SPP)5,8, 13,14,20 analys. Även om alla dessa tekniker har visat sig vara matematiskt robust, är det fortfarande en obesvarad fråga om huruvida någon av dessa tekniker kan ge tydliga och rimliga fysiska förklaringar av ickelinjära oscillerande stressreaktioner. Det är fortfarande en utomordentligt stor utmaning att ge kortfattad tolkningar av reologiska data som korrelerar till strukturella och dynamiska åtgärder.
I en färsk studie analyserades den mjuka glasartade reologi (SGR) modell8 och en mjuk glas gjort av kolloidal stjärna polymerer7under oscillerande skjuvning ickelinjära stress svar genom SPP systemet. Tidsmässiga förändringar i elastiska och viskösa egenskaper inneboende ickelinjära stressreaktioner kvantifierades separat av de SPP moduli, <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq3.jpg"> och <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq4.jpg"> </img>. Reologiska övergången representeras av de övergående moduli var dessutom exakt korrelerad till Mikrostrukturens förändringar representeras av fördelningen av Mesoskopisk element. I studien av SGR modell8, var det tydligt att reologiska tolkning via SPP systemet återspeglar de fysiska förändringarna under alla oscillerande skeva förhållanden de linjära och olinjära system för mjuk glasögon. Denna unika förmåga att ge korrekta fysiska tolkning av ickelinjära Svaren mjuk glasögon gör metoden SPP en attraktiv metod för forskare som studerar out-av-jämvikt dynamiken i polymerlösningar och andra mjuka material.
SPP systemet är byggt kring visning reologiska beteenden som förekommer i en tredimensionell rymd (<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq5.jpg">) som består av stammen (<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq6.jpg">), stam rate (<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq7.jpg">), och stress (<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq8.jpg">)5. I matematisk mening, behandlas stressreaktioner som flervariabla funktioner i stam och stam rate (<img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq9.jpg">). Eftersom de reologiska beteenden betraktas som en bana i <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq5.jpg"> (eller en flervariabla funktion), ett verktyg för att diskutera egenskaperna för en bana krävs. I metoden SPP, de övergående moduli <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq3.jpg"> och <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq4.jpg"> spela en sådan roll. Den övergående elasticitetsmodulen <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq3.jpg"> och trögflytande modulus <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq4.jpg"> definieras som partiella derivator av stress med avseende på stammen (<img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq10.jpg">) och stam (<img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq11.jpg">). Efter fysiska definitionen av differentiell elastiska och viskösa moduli kvantifiera de övergående moduli stam och stam takt momentana inverkan på stress svar respektive, medan andra analysmetoder inte kan ge någon information om elastiska och viskösa egenskaper separat.
Metoden med SPP berikar tolkningen av de oscillerande skjuvprov. Med SPP analysen, kan komplexa olinjära reologiska beteenden av koncentrerade polymera lösningar i LAOS vara direkt relaterade till de linjära reologiska beteende i SAOS. Vi visar i detta arbete hur den maximala övergående elasticitetsmodulen (<img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq12.jpg">max) nära stammen extrema motsvarar lagring modulus i linjära regimen (SAOS). Dessutom visar vi hur övergående trögflytande modulus (<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq4.jpg">) under en LAOS spår cykel steady-state flow kurvan. Utöver att tillhandahålla detaljer av den komplexa sekvensen av processer som koncentrerade polymerlösningar gå igenom under LAOS, ger SPP systemet också information om ersättningsgilla stammen i materialet. Denna information, som inte kan erhållas genom andra metoder, är ett användbart mått på hur mycket ett material kommer rekyl när stress avlägsnas. Sådant beteende påverkar tryckbarhet av koncentrerade lösningar för 3D utskrift program, samt screentryck, fiber bildandet och flödet upphör. Ett antal nyare studier5,8,13 visar tydligt att den ersättningsgilla stammen inte är nödvändigtvis samma som stammen som införts under LAOS experiment. En studie av mjuk kolloidal glasögon under LAOS13 har till exempel visat att den ersättningsgilla stammen är endast 5% när betydligt större total stam (420%) tas ut. Andra studier16,21,22,23,24 med bur modulus21 också ingå att linjär elasticitet kan observeras under LAOS på peka Stäng till de stam maxima, vilket innebär att materialet upplevt relativt liten deformation på dessa ögonblickar. SPP systemet är den enda ramen för förståelse LAOS att konton för en förskjutning i stam equilibriumen som leder till en skillnad mellan den ersättningsgilla och de totala stammarna.
Denna artikel syftar till att underlätta överenskommelser och användarvänlighet av analysmetoden som SPP genom att tillhandahålla ett detaljerat protokoll för en LAOS analys freeware, använda två koncentrerade polymerlösningar, en 4 wt % xantangummi (XG) vattenhaltig lösning och en 5 wt % PEO i DMSO lösning. Dessa system är valt på grund av deras breda sortiment av ansökan och rheologically intressanta egenskaper. Xantangummi, en naturlig hög molekylvikt polysackarid, är en exceptionellt effektiv stabilisator för vattenbaserade system och vanligen tillämpas som en livsmedelstillsats att ge önskad viscosification eller i oljeborrning öka viskositet och avkastning pekar av borrning borrslam. PEO har en unik hydrofil fastighet och används ofta i läkemedel och kontrollerad frisättning system samt jord förbättringsåtgärder. Dessa polymera system testas olika oscillerande skeva villkor som syftar till att tillnärma bearbetning, transport och användning för särskilda ändamål villkor. Även om dessa praktiska villkor inte kan nödvändigtvis innebär att flödet återföring som i oscillerande skjuvning, fältet flöde kan approximeras enkelt och trimmade med oberoende kontroll av tillämpad amplitud och införde frekvens i en oscillerande test. Dessutom kan SPP systemet användas som beskrivs här för att förstå ett brett spektrum av flödestyper, inklusive de som inte inkluderar flöde återföringar såsom-föreslog nyligen UD-LAOS25, där stor amplitud svängningar tillämpas i en endast riktning (leder till monikern ”uni-directional LAOS”). För enkelhet, och illustrativ begränsar vi den aktuella studien till traditionella LAOS, som omfattar periodiska flöde återföring. De uppmätta reologiska svar analyseras med metoden SPP. Vi visar hur du använder programvaran SPP med enkla förklaringar på salient beräkningssteg för att förbättra läsarnas förståelse och användning. En legend för tolkning av SPP analysresultat införs enligt vilket reologiska övergångstyp identifieras. Representant SPP analysresultatet av två polymerer olika oscillerande skeva villkor visas, där vi tydligt identifiera en sekvens av fysikaliska processer som innehåller information om materialets linjär viskoelastiska svar samt steady state flödet egenskaper för materialet.
Det här protokollet ger salient Detaljer för hur man korrekt utföra ickelinjära reologiska experiment samt en steg för steg guide att analysera och förstå reologiska svaren med SPP framework, som visas i figur 1. Vi börjar med att ge en introduktion till instrument inställning och kalibreringar, följt av specifika kommandon för att göra en kommersiellt tillgänglig reometer högkvalitativa övergående datainsamling. När de reologiska data har erhållits, införa vi SPP analys freeware, med en detaljerad manual. Vidare diskuterar vi hur man förstå tidsberoende svaret av de två koncentrera polymer lösningarna inom SPP systemet, genom att jämföra resultat från LAOS med linjär-regimen frekvens svep och steady state flow kurvan. Dessa resultat tydligt att de polymer lösningarna övergång mellan olika reologiska stater inom en svängning, vilket möjliggör en mer detaljerad bild av deras ickelinjära övergående reologi växa fram. Dessa data kan användas för att optimera bearbetningsvillkor för produkten bildandet, transport, och använda. Dessa tidsberoende-svar ytterligare ge potentiella vägar till tydligt form struktur-Boende-bearbetning relationer av koppling reologi med Mikrostrukturens information som erhållits från liten vinkel spridning av neutroner, röntgen eller ljus) SANS och SAXS SALS, respektive), mikroskopi eller detaljerade simuleringar.

<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 undersöker sekvensen av fysikaliska processer uppvisade under stor amplitud oscillerande klippning (LAOS) av polyeten oxid (PEO) dimetyl sulfoxid (DMSO) och xantangummi i vatten – två koncentrerade polymerlösningar används som viscosifiers i livsmedel, förbättrad oljeutvinning och marksanering. Förstå den ickelinjära reologiska beteenden av mjuka material är viktigt i designen och kontrollerad tillverkning av många konsumentprodukter. Det visas hur svaret till LAOS av dessa polymerlösningar kan tolkas i termer av en tydlig övergång från linjär viskoelasticitet till viscoplastic deformation och tillbaka igen under en period. Det är LAOS resultaten analyseras via fullt kvantitativa sekvens av fysiska processer (SPP) tekniken, med gratis MATLAB-baserad programvara. Ett detaljerat protokoll utföra en LAOS mätning med en kommersiell reometer, analysera olinjära stressreaktioner med freeware, och tolka fysikaliska processer under LAOS presenteras. Det är vidare visat att, inom ramen för SPP LAOS svar innehåller information angående den linjär viskoelasticitet, övergående flöde kurvorna och den kritiska stammen som är ansvariga för uppkomsten av olinjäritet.

Representativa resultat av SPP analysen från XG och PEO/DMSO lösningar under oscillerande skjuvprov presenteras i figurerna 4 och 5. Vi presenterar först rådata som resår (<img alt="Equation 30" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq30.jpg">) och trögflytande (<img alt="Equation 31" src="/files/ftp_upload/58707/58707eq31.jpg">) Lissajous-Bowditch kurvor i figurerna 4a, 4b, 5a och 5b. ...

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 presenterar ett detaljerat protokoll som beskriver hur du utför ickelinjära oscillerande skjuvning reologi på mjuka material, och hur man kör SPP-LAOS analys för att förstå Svaren som en sekvens av fysikaliska processer.

Studera stor amplitud oscillerande skjuvning svar av mjuka material

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

Denna metod kan hjälpa till att besvara viktiga frågor inom området mjuk materia, såsom korrelationen mellan makroskopiska och mikroskopiska svar. Den största fördelen med metoden är att den kan kvantifiera de viskoelastiska egenskaperna hos material under ett reologiskt experiment i motsats till de traditionella metoder som ger genomsnittlig information. Även om denna metod kan ge insikt i polymera material, det kan också gälla för andra system, såsom kolloidala geler och glasögon och biologiska material.Arbeta med en Rheometer som kan utföra fläckkontrollmätningar. Först fäster du de övre och nedre drivgeometrierna. För den nedre fixturen, använd en 50 mm plåt.Använd en två graders kon för den övre fixturen. Därefter nolla gapet, kalibrera mätningarna och ställ in temperaturen. När dessa steg är slutförda öppnar du gapet i geometrierna från noll för att låta lastmaterialet testas.Gå vidare för att få materialet för testning. I detta fall är det polyetenoxid i DMSO, med rött färgämne för demonstration. Med en spatel, lasta materialet på toppen av bottengeometrin.Säkerställ att inga luftbubblor är intränad i provet i Rheometern. Arbeta med mätsystemen, inställd på trim gap. Använd en kvadratisk spatel i slutet av geometrin för att försiktigt trimma överflödigt material.Återgå till mätgapet, innan du fortsätter. Kör det sinusformade oscillatory skjuvtestet med hjälp av programvara. Navigera till Mina appar.Hitta och öppna Large Amplitude Oscillatory Shear. Därefter går du till mätrutan. Där klickar du på stamvariabeln.Ange initialt och slutligt värde för en stam amplitud svep. 1 respektive 4000 procent. Ange den påförda frekvensen.Ställ också in det totala antalet töjningsamplituder i det valda intervallet till 16. Markera rutan Hämta vågform för att samla in övergående svar. Klicka på Start-knappen för att starta experimenten.Data kommer att visas under loppet av den cirka fem minuters körningen. Rheometern kan också användas för godtyckligt definierade deformationer. I en extern fil skapa en lista över stammen värden för att definiera den funktion som ska tillämpas.Gå till programvaran Rheometry och klicka på Mina appar. Och klicka på vågformen tecken generator. Klicka på påfrestningar i mätrutan.Därifrån klickar du på Redigera. I värdelistan klistrar du in de förutbestämda stammens värden från den externa filen. Ange antalet punkterna som har angetts, punktvaraktighet och tid för att justera den påförda frekvensen.När du är klar, kontrollera Get Waveform rutan av toppen. Klicka sedan på Start-knappen för att påbörja experimentet. Mätdata kommer att visas på bildskärmen när experimentet fortsätter.Dessa data är för en Xanthan Gum lösning under oscillatory skjuvning tester. Dessa icke-linjära spänningsstamkurvor indikerar att en sekvens av fysiska processer äger rum inom materialet. Sekvens av fysiska processer och analysprogram bestämmer den övergående moduli som signalerar materialens elastiska och trögflytande egenskaper.Deras utveckling avslöjar beteende under stora amplitud oscillatory skjuvning. Här är förekomsten av maximal elasticitet nästan konstant över amplituder. En tomt på denna maximala elasticitet observerats under stora amplitud oscillatory skjuvning och den dynamiska moduli över spänna av amplituder avslöjar en tydlig korrespondens med de linjära regimer lagring modulus.Den elastiska stam som bestäms av sekvensen av fysiska processer programvara vid instans av maximal elasticitet är cirka 16 procent, även när den tillämpade stammen är så stor som 4000 procent. Här är en sekvens av fysiska processer som genomgåtts av Xanthan Gum lösningen. I viscoplastic regimen, analys indikerar noll elasticitet.I takt med att skjuvhastigheten minskar hårdnar lösningen som tyder på att dess strukturreformer. När tillräcklig stam förvärvas, det finns en snabb övergång från elastiskt till visköst beteende. Efter att ha gett, svaret återvänder till Viscoplastic deformation regimen och sekvenser sker i motsatt riktning.Efter dess utveckling, denna teknik bana väg för forskare inom området mjuk materia reologi, att ytterligare utforska övergående struktur egendom bearbetning 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

Styra storlek, form och stabilitet Supramolekylära polymerer i vatten

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 Med hjälp av en digital projektor och dess tillämpning i studien av mjuka material Mekanik

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 amplitudmodulering atomkraftsmikroskopi 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

Studera dynamiska processer av Nano stora objekt i Liquid använder Scanning transmissionselektronmikroskopi

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

Beredning av flytande kristaller nätverk för makroskopisk oscillerande rörelse som induceras av ljus

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

Atmosfäriskt tryck tillverkning av stora lager rektangulära SnSe flingor

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 av passiv spårämnen i Laminar skjuvning flöde

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

Tillverkning av mjuka pneumatiska nätverk ställdon med sneda 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

Snabb tillverkning av tunna mjuka pneumatiska manöverdon och robotar

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

Tillverkning av kolbaserade joniska elektromekaniskt aktiva mjuka ställdon

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