Een reologische studie van colloïdale suspensies bij hoge frequenties

Colloïdale suspensies zijn wijdverspreid en zijn terug te vinden in een groot aantal toepassingen. Aangezien deze materialen colloïdaal zijn zijn de oppervlakte- eigenschappen van groot belang. Deze leiden tot een complexe wisselwerking tussen verschillende interactiekrachten en zijn bepalend voor de microstructuur. Indien we colloïdale suspensies willen begrijpen en gebruiken is het dus cruciaal om de relatie tussen structuur enerzijds en eigenschappen anderzijds te kennen. Reologie is uitermate interessant om zulke relaties te bepalen en is algemeen toepasbaar op verschillende suspensies. We concentreren ons vooral op frequentie-afhankelijke metingen uitgevoerd bij kleine amplitudes, of binnen de lineariteitsgrenzen van het materiaal. Het voordeel van dit type metingen is dat de onderzochte tijds- en lengteschaal kan gevarieerd worden door de frequentie van de meting aan te passen. Op die manier is het dus mogelijk een integraal beeld te krijgen van het materiaal. Concreet onderzoeken we in deze thesis de mogelijke rol van reologie om lokale eigenschappen te bepalen van de bouwstenen in colloïdale suspensies. Om lokale informatie te vergaren moet de opgelegde frequentie van de metingen hoger zijn dan de karakteristieke frequentie schaal van colloïdale suspensies. Zulke frequenties zijn vaak hoger dan het meetbereik van commerciële toestellen en we moeten dus specifieke hoog-frequente methodes toepassingen om deze metingen uit te voeren. 

In het eerste deel van dit werk wordt onze zelf-ontwikkelde piëzo reometer besproken. De gevoeligheid van zowel de alignering als de meting zelf zijn van groot belang. De signaalanalyse is geoptimaliseerd voor metingen tussen 10 - 2000 Hz. Het instrument breidt het meetgebied van commerciële toestellen uit met 2 decades en laat dus toe om het gedrag van colloïdale suspensies te bestuderen tot in het hoog-frequent gebied. Materiaaleigenschappen kunnen rechtstreeks worden afgeleid. De piëzo reometer is gebruikt om lokale eigenschappen in colloïdale suspensies te bestuderen. Het tweede deel van dit werk focust op stabiele suspensies. De wisselwerking tussen de oppervlakte-eigenschappen, en specifiek de topologie van het oppervlak, en de lokale interacties en spanningsbijdrages is bestudeerd. We veranderen de oppervlakte-eigenschappen op een gestructureerde manier. De resultaten vertonen een complexe wisselwerking tussen hydrodynamische lubricatiespanningen, repulsieve interdeeltjesinteracties en oppervlaktetopologie. In het derde deel wordt hoog-frequente reologie gebruikt om de lokale microstructuur in colloïdale suspensies te bepalen. Hier onderzoeken we attractieve of onstabiele suspensies die slechts gedeeltelijk zijn gedispergeerd. De dispersiegraad, of de kwaliteit van de suspensie, is van cruciaal belang voor verschillende toepassing. Het bepaalt bijvoorbeeld voor een groot gedeelte de performantie van nanomaterialen. Het doel van het hoofdstuk is de afleiding van een directe relatie tussen de opgemeten reologische eigenschappen enerzijds en de dispersiekwaliteit anderzijds. De hoog-frequente bijdrage is enkel afhankelijk van de lokale microstructuur en kan vergeleken worden met hydrodynamische viscositeitsmodellen. Op deze manier kan een index voor de dispersiegraad worden afgeleid die enkel afhankelijk is van de effectieve volumefractie van partikels of aggregaten. Deze index kan bijvoorbeeld worden gebruikt om de evolutie van de dispersiegraad te volgen tijdens het dispergeren in een bepaald mengproces. 

De resultaten in deze thesis tonen aan dat hoog-frequente reologie een gevoelige methode is om lokale eigenschappen te onderzoeken in colloïdale suspensies. Zowel interactieparameters als lokale structuureigenschappen kunnen worden bepaald. Dit kan op twee manieren van toepassing zijn. De vergaarde kennis over de interacties tussen en structuur van colloïdale bouwstenen leiden tot een beter begrip van het complex gedrag van suspensies. Reologie is ook een veelzijdige methode die toelaat om verschillende suspensies te onderzoeken en die geen verdunning vereist. De mogelijkheid om het bijvoorbeeld als sensor te gebruiken om lokale structuureigenschappen te kwantificeren is relevant voor vele toepassingen.