应用案例 | 在旋转流变仪上使用振荡测试表征凝

在旋转流变仪上使用振荡测试表征凝胶性质

简介

凝胶可以看作是一个固态立体网络，填充在液态介质的整个空间中。这种网络结构可能是物理或化学相互作用的结果，导致形成物理和化学凝胶，分别具有不同程度的刚性。典型的化学凝胶包括硫化橡胶和固化环氧树脂等材料，这些材料本质上以共价键发生分子交联。物理凝胶是由于氢键、范德华力或静电相互作用通过分子间缔合形成的。这类凝胶例如颗粒状凝胶，粘土分散体和缔合聚合物等等。

对于*固化的弹性固体，可以通过以下方程估算凝胶模量G：

其中v是每单位体积内起弹性作用的网络束的数量，k是玻尔兹曼常数，T是温度。虽然物理凝胶不一定符合这一关系式，但G的值与弹性网络特性和分子相互作用相关这一点是不变的，这可能取决于聚合物/颗粒浓度、电荷或组成。

因此，G（或动态振荡测试中的弹性模量G'）是表征凝胶特性的重要参数。对于理想的凝胶，G'应该与频率无关，因为不会发生结构松弛。然而，许多凝胶显示出某些频率依赖性，表明在不同的时间尺度内存在结构松弛。在表征凝胶时，这种松弛过程也很重要。

获取这两种特性的一种方法是通过频率扫描测试，得到G′相对于角频率ω的变化关系。在凝胶点，G’ 通常显示出与频率的幂律相关性，可以使用以下模型来表征:

其中k称为松弛强度，n为松弛指数。

对于理想的凝胶，n的值为0，表示没有结构弛豫发生（当然仅在测量所及的频率范围内）。n大于0，表明存在某种程度的结构松弛，松弛程度可由n的大小来量化。k则相当于当角频率ω=1 rad/s时的G’的值。

另一个值得关注的参数是相位角δ，它可以反映出凝胶结构（或其局部）的非理想性，即非弹性响应性。理想凝胶的相角为零，而0至45º之间的任何值都表明某种程度的粘性阻尼，由此导致松弛。

凝胶的另一个特点是屈服应力，屈服应力是破坏三维网络结构并导致流动所需的临界应力。确定屈服应力的方法多种多样，但灵敏的方法之一是振幅扫描法，即测量弹性应力分量σ’（通过G’与弹性结构关联）随应变振幅的变化关系，将曲线上的峰值应力作为屈服应力，该点对应的应变即屈服应变，它与结构的脆性有关（见图1）。

图1 如何使用振幅扫描来确定屈服应力和应变

应该注意的是，幂律模型仅适用于在测试所涉频率范围内的数据，因为在更低或更高的频率下，材料的表现可能会偏离幂律模型。

实验

·研究了三种凝胶体系：发胶；成分为黄原胶-甘露聚糖的口香糖；缔合聚合物-表面活性剂体系。

· 使用Kinexus旋转流变仪，配备Peltier板盒，锥板系统，并使用rSpace软件中的标准预配置序列进行测量。

·使用标准的装样序列，以确保样品遵循一致且可控的装样方法。

·所有流变测量均在25°C下进行。

· 在线性粘弹性范围内执行应变控制的频率扫描，并对对数坐标下的数据以幂律模型进行线性拟合，从斜率求取n，从截距求取k。

· 在同一序列中，再进行超出临界应变的振幅扫描，测定屈服应力和应变。

结果和讨论

图2显示了不同凝胶在25℃下的G'与ω的关系，以及模型拟合参数。结果表明，三种凝胶中以发胶刚性最高，k值为301 Pa，口香糖和缔合增稠剂的k值分别为194 Pa和63 Pa。

图2  G’ vs. ω 关系曲线和相关模型参数

（□: 发胶；△: 口香糖；▽: 缔合聚合物-表面活性剂体系）

对于发胶和口香糖，还可以看出，G’ 随频率变化很小，表明随时间变化几乎没有结构松弛。实测的松弛指数n也接近于0。相反，缔合聚合物的G’曲线显示出较大的斜率，对应于较高的n值0.2。

图3为在1 Hz下进行的应变幅度扫描。包括从峰值处得到的屈服应力和应变。

图3  1Hz下 σ’与 γ* 关系曲线，以及屈服应力和应变值

（□：发胶；△：口香糖；▽：缔合聚合物-表面活性剂体系）

图中可见发胶的屈服应力最高，其次口香糖，再次为缔合增稠剂。因此，发胶将需要更大的临界应力以引向流动。

就屈服应变而言，口香糖所测值最高，说明其结构更具延展性。缔合聚合物的值zui低，表明其结构相对较脆。

结论

本文使用振荡测试评估了三种凝胶，根据频率扫描评估了随时间变化的凝胶特性，并基于对G'的幂律模型拟合估算了松弛强度k和松弛指数n。随后，以振幅扫描的方式评估了屈服应力和应变。结果表明使用这种方法可以量化和比较不同凝胶系统的特性。

注意：建议使用锥板或平行板夹具进行测试（后者更适用于较大粒径的分散体系和乳液）。 这类测试可能还需要使用表面粗糙或锯齿状的夹具，以避免由于流体在夹具表面滑移造成的测试假象。