Rheological characterization of polysaccharide gels

In this Master’s Thesis work the rheological properties of different polysaccharide gels have been studied. The results of this study are used as a starting point for further investigations of potential applications. In order to understand rheological behavior of studied materials, the commercial hydrocolloids such as sodium carboxymethyl cellulose, xanthan gum and guar gum were used as reference and comparison material for rheological studies. As a part the rheological research the development and implementation of proper measurement methods for studied materials were carried out. In the literature review, short introductions of studied materials and application areas of rheological modifiers are summarized. In addition, basic rheological concepts and key fundamentals are explained. In the experimental part the focus was on the rheological characterization of aqueous suspensions of studied materials. Especially, gel strength and solution stability were investigated. The rheological measurements included both rotational and oscillatory measurements in different conditions, where several chemical and physical properties were measured with Anton Paar MCR302 dynamic rotational rheometer. Studied polysaccharide gels can be clearly defined to be shear thinning and thixotropic materials. They have strong gel forming properties even at low concentrations, which explains the superior thickening behavior for some of the samples. Along with rheological characterization of selected materials the factors behind different phenomena were investigated. To reveal value and potential use of polysaccharide gels the influence of various factors such as concentration, temperature and ionic strength were determined. The measurements showed a clear difference between studied materials under investigated external parameters.

Tässä diplomityössä on tutkittu eri valmistusmenetelmin tuotettujen polysakkaridigeelien reologisia ominaisuuksia ja kehitetty näytteille sopivat mittausmenetelmät. Tuloksia on hyödynnetty pohjatietona laajemmassa tutkimuskokonaisuudessa, jonka tavoitteena on kartoittaa mahdollisia käyttökohteita tutkituille näytteille. Potentiaalisten sovellusten selvittämiseksi ja tarvittavien ominaisuuksien ymmärtämiseksi tutkittujen geelien ominaisuuksia on verrattu kaupallisiin hydrokollodeihin, joiden sovelluskohteet ja vaatimukset materiaaleille tunnetaan. Vertailukohteina tutkituille materiaaleille käytettiin anionisia polymeerejä, kuten NaCMC:tä, ksantaania sekä guarkumia. Työn teoriaosassa on perehdytty tarkemmin reologian perusperiaatteisiin sekä selitetty keskeisimmät käsitteet. Tämän lisäksi työssä on esitelty lyhyesti tutkitut materiaalit sekä yleisiä käyttökohteita reologian muokkaajille. Työn kokeellisessa osassa keskityttiin selvittämään näytteille ominaiset reologiset piirteet ja niihin liittyvät ilmiöt. Erityisesti näytteiden geelimäisyys, geelin vahvuus sekä vesiliuoksien stabiilisuus olivat tarkemman tutkimuksen kohteita. Näytteiden karakterisoinnissa on käytetty niin rotaatio- kuin oskillaatiotestejä, jotka suoritettiin Anton Paar MCR302 reometrillä. Tutkitut polysakkaridigeelit osoittautuivat luonteeltaan vahvasti leikkausoheneviksi sekä tiksotrooppisiksi materiaaleiksi. Lisäksi näytteillä havaittiin voimakas kyky muodostaa geeli alhaisillakin konsentraatioilla, mistä johtuen viskositeetit tietyillä alueilla olivat jopa korkeampia kuin ksantaanilla. Reologisia ominaisuuksia tarkasteltiin myös konsentraation, lämpötilan sekä polyelektrolyyttien funktiona. Näytteissä havaittiin selkeitä eroja näiden ulkoisten parametrien vaikutuksesta.