Name: calibration procedures for orthogonal superposition rheology
Uploaded: 2020-11-18T13:00:00
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Ran Tao desidera ringraziare il finanziamento del National Institute of Standards and Technology, Dipartimento del Commercio degli Stati Uniti nell'ambito della sovvenzione 70NANB15H112. Il finanziamento per Aaron M. Forster è stato fornito attraverso stanziamenti del Congresso al National Institute of Standards and Technology.

1. Configurazione del reometro
NOTA: il protocollo in questa sezione descrive i passaggi di base per eseguire un esperimento di reologia (per un reometro motore-trasduttore separato o un reometro combinato motore-trasduttore), compresa la preparazione della configurazione, l'installazione della geometria appropriata, il caricamento del materiale di prova, l'impostazione della procedura dell'esperimento, la specifica della geometria e l'avvio del test. Vengono fornite istruzioni e note specifiche...

<ol>
	<li>Macosko, C. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Rheology: principles, measurements, and applications. , (1994).</li><li>Larson, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The Structure and Rheology of Complex Fluids. , (1999).</li><li>Vermant, J., Moldenaers, P., Mewis, J., Ellis, M., Garritano, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Orthogonal+superposition+measurements+using+a+rheometer+equipped+with+a+force+rebalanced+transducer.">Orthogonal superposition measurements using a rheometer equipped with a force rebalanced transducer.</a> Review of Scientific Instruments. 68 (11), 4090-4096 (1997).</li><li>Ferry, J. 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In questo protocollo, presentiamo una procedura sperimentale dettagliata per eseguire misure di calibrazione della viscosità utilizzando fluidi newtoniani per una tecnica di reologia di sovrapposizione ortogonale commerciale con una geometria cilindrica concentrica a doppia parete. I fattori di taratura, cioè il fattore primario dell'effetto finale C L e il fattore ortogonale dell'effetto finale CLo, sono determinati indipendentemente conducendo prove di sweep della velo...

La comprensione delle proprietà reologiche dei fluidi complessi è essenziale per molte industrie per lo sviluppo e la produzione di prodotti affidabili e riproducibili1. Questi "fluidi complessi" includono sospensioni, liquidi polimerici e schiume che esistono ampiamente nella nostra vita quotidiana, ad esempio nei prodotti per la cura personale, negli alimenti, nei cosmetici e nei prodotti per la casa. Le proprietà reologiche o di flusso (ad esempio, viscosità) sono quantità chiave di interesse per stabilire metriche di prestazione per l'uso finale e la processabilità, ma le proprietà di flusso sono interconnesse con le microstrutture che esistono all'interno di fluidi complessi. Una caratteristica importante dei fluidi complessi che li distingue dai liquidi semplici è che possiedono diverse microstrutture che coprono scale di lunghezza multipla2. Queste microstrutture possono essere facilmente influenzate da diverse condizioni di flusso, che, a loro volta, comportano cambiamenti nelle loro proprietà macroscopiche. Sbloccare questo ciclo struttura-proprietà attraverso il comportamento viscoelastico non lineare di fluidi complessi in risposta al flusso e alla deformazione rimane un compito impegnativo per i reologi sperimentali.
La reologia della sovrapposizione ortogonale (OSP)3 è una tecnica robusta per affrontare questa sfida di misurazione. In questa tecnica, un flusso di taglio oscillatorio di piccola ampiezza viene sovrapposto ortogonalmente a un flusso di taglio stazionario primario unidirezionale, che consente la misurazione simultanea di uno spettro di rilassamento viscoelastico sotto il flusso di taglio primario imposto. Per essere più specifici, la piccola perturbazione oscillatoria di taglio può essere analizzata usando teorie in viscoelasticità lineare4, mentre la condizione di flusso non lineare è ottenuta dal flusso di taglio stazionario primario. Poiché i due campi di flusso sono ortogonali e quindi non accoppiati, gli spettri di perturbazione possono essere direttamente correlati alla variazione della microstruttura sotto il flusso primario non lineare5. Questa tecnica di misurazione avanzata offre l'opportunità di chiarire le relazioni struttura-proprietà-elaborazione in fluidi complessi per ottimizzarne la formulazione, l'elaborazione e l'applicazione.
L'implementazione della moderna reologia OSP non è stata il risultato di un'improvvisa epifania; Piuttosto, si basa su molti decenni di sviluppo di dispositivi personalizzati. Il primo apparato OSP su misura risale al 1966 da Simmons6, e molti sforzi sono stati fatti successivamente 7,8,9,10. Questi primi dispositivi costruiti su misura soffrono di molti inconvenienti come problemi di allineamento, l'effetto del flusso di pompaggio (dovuto al movimento assiale del bob per fornire oscillazioni ortogonali) e limiti alla sensibilità dello strumento. Nel 1997, Vermant et al.3 hanno modificato il trasduttore di ribilanciamento della forza (FRT) su un reometro a motore-trasduttore separato commerciale, che ha permesso misurazioni OSP per fluidi con un intervallo di viscosità più ampio rispetto ai dispositivi precedenti. Questa modifica consente al trasduttore di ribilanciamento della forza normale di funzionare come un reometro controllato dallo stress, imponendo un'oscillazione assiale oltre a una misurazione della forza assiale. Recentemente, le geometrie richieste per le misure OSP, dopo la metodologia di Vermant, sono state rilasciate per un reometro commerciale separato motore-trasduttore.
Dall'avvento della reologia OSP commerciale, c'è un crescente interesse nell'applicare questa tecnica per lo studio di vari fluidi complessi. Gli esempi includono sospensioni colloidali 11,12, gel colloidali13,14 e vetri15,16,17. Mentre la disponibilità dello strumento commerciale promuove la ricerca OSP, la complicata geometria OSP richiede una comprensione più profonda della misurazione rispetto ad altre tecniche reologiche di routine. La cella di flusso OSP si basa su una geometria cilindrica concentrica a doppia parete (o Couette). È dotato di un design aperto superiore e aperto inferiore per consentire al fluido di fluire avanti e indietro tra gli spazi anulari e il serbatoio. Nonostante l'ottimizzazione apportata al progetto geometrico dal produttore, quando viene sottoposto a funzionamento OSP il fluido sperimenta un campo di flusso disomogeneo, effetti finali geometrici e flusso di pompaggio residuo, che possono introdurre errori sperimentali sostanziali. Il nostro precedente lavoro18 ha riportato importanti procedure di correzione dell'effetto finale utilizzando fluidi newtoniani per questa tecnica. Per ottenere risultati di viscosità corretti, devono essere applicati appropriati fattori di effetto finale sia in direzione primaria che ortogonale. In questo protocollo, miriamo a presentare una metodologia di calibrazione dettagliata per la tecnica reologica OSP e fornire raccomandazioni per le migliori pratiche per ridurre gli errori di misurazione. Le procedure descritte in questo documento sull'impostazione della geometria OSP, sul caricamento dei campioni e sulle impostazioni di test OSP dovrebbero essere facilmente adottabili e tradotte per le misure di fluidi non newtoniani. Consigliamo agli utenti di utilizzare le procedure di calibrazione qui descritte per determinare i fattori di correzione dell'effetto finale per le loro applicazioni prima delle misurazioni OSP su qualsiasi classificazione di fluido (newtoniana o non newtoniana). Notiamo che le procedure di calibrazione per i fattori finali non sono state riportate in precedenza. Il protocollo fornito nel presente documento descrive anche la guida passo-passo e suggerimenti su come eseguire misurazioni reologiche accurate in generale e la risorsa tecnica sulla comprensione dei dati "grezzi" rispetto ai dati "misurati", che possono essere trascurati dagli utenti del reometro.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Advanced Peltier System</td>
			<td>TA Instruments</td>
			<td>402500.901</td>
			<td>Enviromental control device</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ARES-G2 Rheometer</td>
			<td>TA Instruments</td>
			<td>401000.501</td>
			<td>Rheometer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Brookfield Silicone Fluid, 12500cP</td>
			<td>AMTEK Brookfield</td>
			<td>12500 cps</td>
			<td>Viscosity standard liquid</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>OSP Slotted Bob, 33 mm</td>
			<td>TA Instruments</td>
			<td>402796.902</td>
			<td>Bob, upper geometry</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>OSP Slotted Double Gap Cup, 34 mm</td>
			<td>TA Instruments</td>
			<td>402782.901</td>
			<td>Double wall cup, lower geometry</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipette (1 &#8211; 10 mL)</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>3120000089</td>
			<td>To load test materials</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipette (100 &#8211; 1,000 &#181;L)</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>3123000063</td>
			<td>To load test materials</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipette Tips (0.5 &#8211; 10 mL)</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>022492098</td>
			<td>To load test materials</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipette Tips (50 &#8211; 1,000 &#181;L)</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>022491555</td>
			<td>To load test materials</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spatula</td>
			<td>VWR</td>
			<td>82027-532</td>
			<td>To load test materials</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TRIOS</td>
			<td>TA Instruments</td>
			<td>v4.3.1.39215</td>
			<td>Rheometer software</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

calibration procedures for orthogonal superposition rheology

La reologia di sovrapposizione ortogonale (OSP) è una tecnica reologica avanzata che prevede la sovrapposizione di una deformazione di taglio oscillatoria di piccola ampiezza ortogonale a un flusso di taglio primario. Questa tecnica consente la misurazione della dinamica strutturale di fluidi complessi in condizioni di flusso non lineare, che è importante per la comprensione e la previsione delle prestazioni di una vasta gamma di fluidi complessi. La tecnica reologica OSP ha una lunga storia di sviluppo dal 1960, principalmente attraverso i dispositivi costruiti su misura che hanno evidenziato la potenza di questa tecnica. La tecnica OSP è ora disponibile in commercio per la comunità reologica. Data la progettazione complicata della geometria OSP e il campo di flusso non ideale, gli utenti dovrebbero comprendere l'entità e le fonti dell'errore di misurazione. Questo studio presenta procedure di calibrazione utilizzando fluidi newtoniani che includono raccomandazioni per le migliori pratiche per ridurre gli errori di misurazione. In particolare, vengono fornite informazioni dettagliate sul metodo di determinazione del fattore dell'effetto finale, sulla procedura di riempimento del campione e sull'identificazione dell'intervallo di misurazione appropriato (ad esempio, velocità di taglio, frequenza, ecc.).

I risultati rappresentativi delle misurazioni di calibrazione della viscosità su uno standard di viscosità del silicone da 12,2 Pa s sono rappresentati nella Figura 5 e nella Figura 6. Si noti che il fattore dell'effetto finale primario e il fattore dell'effetto finale ortogonale sono entrambi impostati su 1,00 per le esecuzioni di calibrazione. La figura 5 mostra la viscosità di taglio costante e la coppia in funzione della velo...

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Calibration Procedures for Orthogonal Superposition Rheology

Presentiamo un protocollo di calibrazione dettagliato per una tecnica commerciale di reologia di sovrapposizione ortogonale che utilizza fluidi newtoniani, compresi i metodi di determinazione del fattore di correzione dell'effetto finale e le raccomandazioni per le migliori pratiche per ridurre l'errore sperimentale.

Procedure di calibrazione per la reologia della sovrapposizione ortogonale

Orthogonal superposition (OSP) rheology is an advanced rheological technique that involves superimposing a small-amplitude oscillatory shear deformation ...

Orthogonal Superposition Radiology is an advanced technique that allows the measurement of radiological properties of complex fluids under non-linear flow conditions, which offer insights into the micro-structural changes that governs macroscopic properties. The information gained on the structured property processing relationships in complex fluids is important to many industries for the development and manufacturer of reliable products. OSP is now commercially available for the radiology community.Given the complicated geometry design, a protocol to quantify measurement error is critical to the successful use of this technique. The calibration protocol described in this video is the first standard operating procedure to properly determine the end effect factors, a proper accounting of the end effect factors reduces measurement error. Before installing the geometry, enable the orthogonal superposition feature in the rheometer software.After lifting the stage to maximum height, install a lower platinum resistance thermometer on the test station for temperature measurement and an environmental control device. Assemble the inner and outer cylinders, to complete the double wall cup configuration. Insert the cup into the environmental control device and align the geometry.Press the lower geometry cup downward to compress the spring-loaded platinum resistance thermometer, by using a torque screwdriver to tighten the thumbscrew. Disable the motor power and use a finger to spin the geometry to confirm that the cup rotates freely. Install the upper geometry bob onto the transducer shaft, and click the tear transducer button in the transducer control panel of the rheometer software to tear the normal force and torque.Then click the zero fixture button to zero the gap between the upper and lower geometries. To load the test material, lift the stage to provide enough workspace to load the test material into the cup, and carefully load the test material into the cup. Lower the upper geometry carefully into the fluid to reach the geometry gap set point of eight millimeters.When the bob end contacts the fluid, reduce the downward velocity of the bob. Lift the bob vertically to a position at which the wetted fluid contact line can be visually inspected. Carefully lift the bob to the previous loading position to allow enough workspace and load an additional amount of test material into the cup as needed.Lower the upper geometry into the fluid, and use the go-to geometry gap button to set the cup and final geometry gap. Repeat the adjustment until the wetted contact line on the bob is approximately two millimeters above the lower end of the upper bob opening. Then move the bob to the geometry gap set point and allow the test material to relax.To verify that the correct geometry has been selected, open the orthogonal double wall concentric cylinder geometry. If the orthogonal superposition radiology geometry is not listed, manually create a new geometry with the software, using the dimensions for the geometry as indicated in the table. Then specify the geometry constants, including the inertia and upper tool mass, and enter one for both the end effect factor, and orthogonal end effect factor.To perform a steady sheer rate sweep test, condition the sample at 25 degrees Celsius for 15 minutes. When the test material has reached thermal equilibrium, under the procedure tab in the rheometer software select flow and sweep. In the environmental control window, set the test temperature to 25 degrees Celsius.Set the sheer rate range from 0.01 to 100 inverse seconds, with data recording at 10 points per decade, logarithmically, and enable automatic steady state determination. Then start the experiment. To perform an orthogonal frequency sweep test, set the normal force transducer to conditioning and transducer mode.And condition the sample at 25 degrees Celsius for 15 minutes to ensure thermal equilibration. Select the orthogonal frequency sweep test with the test temperature set to 25 degrees Celsius. Specify the desired normal strain and enter zero inverse seconds for the sheer rate in the rotational direction.Then specify the angular frequency range from 0.1 to 40 rads per second at 10 points per decade, logarithmically, and start the experiment. To verify that the corrections are valid, using the calibrated end effect factors obtained from the calibration experiments, enter the calibrated values for the end effect factor and orthogonal end effect factor under the geometry constants. The stress constants will be automatically updated.Then set up an orthogonal frequency sweep test as demonstrated, using one inverse second for the shear rate and start the experiment. Here, representative results from the viscosity calibration measurements on a 12.2 pascal-second silicone viscosity standard are shown. The silicone liquid is a newtonian fluid with an expected constant viscosity independent of the applied shear rate.The measured torque increases linearly as the sheer rate increases and all of the data are above the low torque limit. The uncorrected viscosity value is higher than the actual viscosity. These orthogonal frequency sweep tests demonstrate different orthogonal strain amplitudes from 0.5 to 9.4%for the 12.2 pascal-second viscosity standard.Similarly, without correction, the measured orthogonal complex viscosity overestimates the actual viscosity of 12.2 pascal-second. Only the viscosity data with corresponding orthogonal force values above the lower limit of the axial oscillation force for the transducer, are used to calculate the average viscosity for correction. To calculate the end effect factors here, the primary in effect factor is equal to the uncorrected primary viscosity divided by the viscosity of the standard liquid.The orthogonal end effect factor is equal to the viscosity of the standard liquid divided by the uncorrected orthogonal viscosity. Here, an orthogonal superposition measurement was performed under steady shear for viscosity verification check. Only the data with values greater than the instrument force resolution were plotted.Since the correct and effect factors were applied, the measured viscosities in both directions matched the accepted oil viscosity value of 12.2 pascal-seconds. Now, you should have a good understanding of how to perform calibration for OSP using newtonian fluids. We recommend that users determine their end effect correction factors for their own instruments and geometries because the actual corrections are material and instrument dependent.Making accurate measurements are important for scientific research as well as product development. This protocol provides a technical resource for the instrument users and also guidance to manufacturers for optimizing the engineering design of future instruments.

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