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海藻酸钠和黄原胶糊料粘弹性行为的研究
来源:互联网 sk006 | 王莉莉,闵洁*,沈秋惠,厉建丽,李长洁
【分  类】 化工与理学
【关 键 词】 海藻酸钠;黄原胶;流变性能;粘弹性能
【来  源】 互联网
【收  录】 中文学术期刊网
正文:

  摘要:通过稳态剪切和小幅振荡剪切应力扫描实验,本文研究了海藻酸钠和黄原胶糊料的粘弹性能。研究表明:与海藻酸钠相比,黄原胶在低浓度低剪切速率下就具有高粘度,表现出显著的假塑型流体“剪切变稀”特征。海藻酸钠以粘性效应为主,表现出较多的类液态特征,而黄原胶以弹性效应为主,表现出较多的类固态特征。随着剪切应力的增加,海藻酸钠的粘弹性能比较稳定,损耗模量始终大于储能模量,损耗角大于45°,主要表现出粘性行为;黄原胶的粘弹性能经历了由高弹性向粘性转变的突变区,在突变之前其储能模量大于损耗模量,损耗角小于45°,表现出很显著的弹性行为。

  关键词:海藻酸钠;黄原胶;流变性能;粘弹性能

  糊料是印花色浆的重要组成部分,决定着印花运转性能、染料表面给色量、花纹轮廓清晰度等。因此,应根据染料性能、印花方式、花纹结构和织物品种,选择合适的糊料[1]。选择糊料时,除考虑其化学性能、离子性能外,还要考虑物理性能。最重要的是糊料的流变性能。

  流变性是指物质在力的作用下变形和流动的性质,研究分为静态法和动态法。静态法是在阶跃应力负荷下观察材料应变随时间的变化[2],而动态法是对材料施加一个连续的正弦应力或应变,然后记录材料的响应[3]。人们一直都很重视印花糊料的流变性能与应用性能之间的相互关系,然而国内外主要采用静态法研究糊料在不同剪切速率下的粘度变化规律以及在不同剪切速率下的粘度值之比,而缺少必要的仪器来系统研究糊料的动态粘弹性行为。动态法的优点是可以在较宽的频率范围内连续对糊料施加小应力或应变,能更深入地表征糊料的粘弹性能。在动态流变测试中,可以得到糊料的很多重要信息,如储能模量G’、损耗模量G’’、复合粘度η*和损耗角δ(tanδ= G’’/G’)等,这些都是研究糊料粘弹性能的重要参数。

  天然类糊料中海藻酸钠和黄原胶是两种常见的天然高分子聚合物,但二者的物理和化学性质却相差很大。本文通过稳态剪切和小幅振荡剪切应力扫描实验,由表观粘度ηa、储能模量G’、损耗模量G’’、损耗角δ和复合粘度η*的变化来探讨海藻酸钠和黄原胶糊料粘弹性能的变化规律。

  1实验部分

  1.1实验药品

  高分子量海藻酸钠(工业级,山东洁晶集团股份有限公司),黄原胶KELZAN S(工业级,美国CPKELCO公司)。

  1.2实验仪器

  85-2型恒温磁力搅拌器(上海司乐仪器有限公司),PL602-S型电子天平(上海梅特勒-托利多仪器有限公司),StressTech型流变仪(瑞典Reologica流变公司)。

  1.3实验方法

  1.3.1海藻酸钠和黄原胶糊料的制备

  将装有定量蒸馏水的烧杯放在恒温磁力搅拌器上,边搅拌边缓缓加入定量糊料,搅拌一定时间使其呈均匀透明状。静置过夜使糊料充分膨化,即制得一定浓度的原糊。

  1.3.2海藻酸钠和黄原胶糊料的粘弹性能测试[4]

  (1)稳态剪切实验——静态粘度性能测试

  在RheoExplorer系统中选定锥板,Zero gap校零,设定温度25℃,Shear rate 1~100s-1,扫描60个点,每个点扫描10s,normal force归零后,开始测试,收集实验数据。

  (2)小幅振荡剪切应力扫描实验——动态粘弹性能测试

  在RheoExplorer系统中选定锥板,Zero gap校零,设定温度25℃,Frequency设定1Hz,Stress Sweep设定0.1~100Pa,扫描60个点,每个点扫描10s,normal force归零后,开始测试,收集实验数据。

  2结果与讨论

  2.1海藻酸钠和黄原胶糊料的静态粘度性能

  在温度25℃,剪切速率1-100s-1条件下,得到浓度1%,浓度2%,浓度3%海藻酸钠和黄原胶糊料的表观粘度随剪切速率变化而变化的规律,如图1所示。

  从图1中可以看出,与海藻酸钠相比,黄原胶在低浓度低剪切速率下就具有较高的表观粘度,剪切变稀特征较为显著。特别是浓度1%时,海藻酸钠近乎牛顿流体,黄原胶则具有假塑型流体剪切变稀的显著特点。此现象与两种糊料不同的分子结构有关。海藻酸钠是一种无规嵌段共聚物,相对分子量在32000~200000之间,结构单元分子量理论值为198.11[5,6,7],属于非化学交联型结构。而黄原胶是一种“五糖重复单元”的结构聚合体,含有三级结构,其平均分子量在2×106~5×107之间[8],分子链本身硬直,分子间作用力强。在溶液中,黄原胶通过分子内和分子间的非共价健,以及分子链间缠结形成的聚集态结构具有高度缠绕的网络结构,加上硬直的分子链,使其在低浓度低剪切速率下具有较高的粘度。与黄原胶相比,在水溶液中,海藻酸钠分子缠结形成的网状结构较少,结构粘度显著小于黄原胶,因而浓度1%的海藻酸钠糊料接近牛顿流体的特征。

  高分子量海藻酸钠 黄原胶

  图1 不同浓度印花糊料的表观粘度-剪切速率曲线

  从图1还可以看出,随着印花糊料浓度的增加,其表观粘度ηa逐渐增大,剪切变稀特性也越来越显著。因为糊料浓度增加,其溶胶体系中会含有较多的亲水性基团,分子间易于通过氢键和范德华力相互缠结成规整的网状结构,包裹较多的自由水分,使糊料溶液的结构粘度变大,所以浓度较高的糊料,其ηa较大且假塑性也较显著。

  2.2海藻酸钠和黄原胶糊料的动态粘弹性能

  实验在温度25℃,固定频率1Hz,剪切应力0.1-100Pa条件下,测定储能模量G’、损耗模量G’’、损耗角δ(tanδ= G’’/G’)和复合粘度四个参数随剪切应力变化而变化的情况,从而反映出海藻酸钠和黄原胶糊料的粘弹性能。

  储能模量G’是指糊料体系在交变应力作用下一个周期内储存能量的能力,通常代表糊料的弹性[9],其值越大,糊料的弹性越大;损耗模量G’’则是指糊料体系在一个变化周期内所消耗能量的能力,通常代表糊料的粘性,其值越小,糊料的粘性流动越好[10]。它们可以用来判断糊料是处于类液状态还是类固状态。当糊料处于类液状态时,其储能模量G’远小于损耗模量G’’;当糊料处在类固状态时,其储能模量G’远大于损耗模量G’’。 正切tanδ=G’’/G’表征糊料粘弹性能的相对大小[11]。δ<45°时,G’>G’’,糊料的弹性大于粘性,表现出较显著的类固态特征;δ>45°时,G’’>G’,糊料的粘性大于弹性,表现出较显著的类液态特征;δ=45°时,G’’=G’,糊料弹性与粘性的比例成分相等,为类固态和类液态的临界转变状态。复合粘度η*与频率、储能模量以及损耗模量有很大的相互关系[12],是储能粘度η’’(表示弹性贡献)和动态粘度η’(表示粘度贡献)综合作用的结果。

  浓度3%的高分子量海藻酸钠糊料和浓度3%的黄原胶糊料动态粘弹性能与剪切应力的关系如图2、图3所示。

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