基于單顆粒追蹤法研究聚氧化乙烯溶液的微流變特性
發(fā)布時間：2021-06-07 10:57
基于單顆粒追蹤方法研究了不同溫度與濃度下聚氧化乙烯（PEO）溶液的微觀流變特性。根據(jù)廣義Stokes-Einstein關(guān)系及復(fù)雜流體黏彈性理論,利用顆粒追蹤技術(shù),對濃度為0.4wt%～1.0wt%的PEO溶液在25℃、35℃和45℃時的微觀流變特性進(jìn)行了測量和分析。研究結(jié)果表明,隨著被測溶液濃度的增加,探針顆粒的布朗運動受限趨勢增大,其中濃度為1.0wt%的PEO溶液在25℃時布朗運動受限最為顯著。黏彈特性模量求解結(jié)果表明:在實驗條件下,PEO溶液的黏性模量（G″（ω））占主導(dǎo)而彈性模量（G′（ω））表現(xiàn)較弱;在相同溫度下,黏彈性模量隨著溶液濃度上升而增大;隨著溫度的升高,溶液彈性模量和黏性模量都呈現(xiàn)減小趨勢,且彈性模量減小速率大于黏性模量減小速率。均方位移標(biāo)準(zhǔn)差分析表明,基于單顆粒追蹤的微流變測量誤差隨追蹤時間的增加呈增大趨勢。
【文章來源】：實驗流體力學(xué). 2020,34(02)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：10 頁
【部分圖文】：
顆粒在高分子溶液中受鏈狀分子網(wǎng)絡(luò)限制的示意圖
為開展溫度變量下的微流變研究，本文設(shè)計了一套對被測樣品溫度進(jìn)行控制的方案。溫度裝置如圖3所示，分為恒溫加熱和水浴保溫兩部分。圖3(a）為恒溫加熱箱（上海一恒，溫度分辨率/波動值：0.1℃/±0.5℃），圖3(b）是由包覆了保溫層的特制玻璃方缸制成的水浴保溫裝置。圖3(c）是待測溶液載玻片，使用凹槽載玻片（凹槽半徑7mm，槽深0.4～0.6mm）與PDMS鍵合制作而成。實驗時，首先向載玻片內(nèi)注入制備好濃度的待測溶液，然后使用硅橡膠黏合劑將進(jìn)出口密封。接下來，將盛有待測溶液的載玻片放入保溫玻璃方缸中進(jìn)行水浴加熱，加熱時將載玻片與玻璃方缸一同放入已達(dá)設(shè)定溫度值的恒溫加熱箱內(nèi)，靜置20min后取出方缸，置于倒置顯微平臺觀測區(qū)進(jìn)行探針顆粒布朗運動的圖像采集。實驗采用單顆粒追蹤技術(shù)，該方法具有顆粒識別容易、追蹤準(zhǔn)確等優(yōu)勢，可以精確追蹤每個時刻的顆粒位置。通過對原始圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理、顆粒識別和追蹤、數(shù)據(jù)處理等，計算出顆粒布朗運動均方位移。圖4(a）所示為實驗采集的探針顆粒原始圖像，經(jīng)過平滑、噪點清除等預(yù)處理后，獲得高質(zhì)量的顆粒圖像，如圖4(b）所示。以上圖像處理是基于Java語言的開源軟件ImageJ進(jìn)行的。
微流變實驗平臺主要由倒置顯微平臺（Lavison）、顯微物鏡（Zeiss）、電子倍增CCD相機（EMCCD,ANDOR）、連續(xù)激光器（1.5 W，λ=532nm）以及工作站組成。實驗選用直徑0.49μm熒光染色聚苯乙烯微球（Thermo Scientific）作為探針顆粒，該粒徑顆粒的布朗運動明顯，能夠準(zhǔn)確反映復(fù)雜溶液的微流變規(guī)律。實驗前，熒光微球原溶液與去離子水按體積比1∶2000配制，因此溶液中的探針顆粒密度足夠低，不會因少量探針顆粒的加入而改變被測溶液的微流變特性。實驗系統(tǒng)如圖2所示，532nm連續(xù)激光通過顯微物鏡照射待測液體中的熒光探針顆粒，顆粒受激發(fā)后發(fā)射的熒光（波長約610nm）由EMCCD實時采集，由此獲得布朗運動的圖像。相機幀率10.664幀/s，每2幀之間的時間間隔Δt為0.093 77s。考慮探針顆粒長時間運動會偏離平面觀測視場，單次實驗中連續(xù)拍攝幀數(shù)取為600，采集時長為56.26s。為開展溫度變量下的微流變研究，本文設(shè)計了一套對被測樣品溫度進(jìn)行控制的方案。溫度裝置如圖3所示，分為恒溫加熱和水浴保溫兩部分。圖3(a）為恒溫加熱箱（上海一恒，溫度分辨率/波動值：0.1℃/±0.5℃），圖3(b）是由包覆了保溫層的特制玻璃方缸制成的水浴保溫裝置。圖3(c）是待測溶液載玻片，使用凹槽載玻片（凹槽半徑7mm，槽深0.4～0.6mm）與PDMS鍵合制作而成。實驗時，首先向載玻片內(nèi)注入制備好濃度的待測溶液，然后使用硅橡膠黏合劑將進(jìn)出口密封。接下來，將盛有待測溶液的載玻片放入保溫玻璃方缸中進(jìn)行水浴加熱，加熱時將載玻片與玻璃方缸一同放入已達(dá)設(shè)定溫度值的恒溫加熱箱內(nèi)，靜置20min后取出方缸，置于倒置顯微平臺觀測區(qū)進(jìn)行探針顆粒布朗運動的圖像采集。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]軟物質(zhì)漫談[J]. 王振東,姜楠. 力學(xué)與實踐. 2014(02)
[2]聚氧化乙烯（PEO）的合成及應(yīng)用[J]. 崔鳳霞,郭春梅,王開林,崔連起,戴清文. 精細(xì)石油化工. 1999(06)
本文編號：3216447
【文章來源】：實驗流體力學(xué). 2020,34(02)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：10 頁
【部分圖文】：
顆粒在高分子溶液中受鏈狀分子網(wǎng)絡(luò)限制的示意圖
為開展溫度變量下的微流變研究，本文設(shè)計了一套對被測樣品溫度進(jìn)行控制的方案。溫度裝置如圖3所示，分為恒溫加熱和水浴保溫兩部分。圖3(a）為恒溫加熱箱（上海一恒，溫度分辨率/波動值：0.1℃/±0.5℃），圖3(b）是由包覆了保溫層的特制玻璃方缸制成的水浴保溫裝置。圖3(c）是待測溶液載玻片，使用凹槽載玻片（凹槽半徑7mm，槽深0.4～0.6mm）與PDMS鍵合制作而成。實驗時，首先向載玻片內(nèi)注入制備好濃度的待測溶液，然后使用硅橡膠黏合劑將進(jìn)出口密封。接下來，將盛有待測溶液的載玻片放入保溫玻璃方缸中進(jìn)行水浴加熱，加熱時將載玻片與玻璃方缸一同放入已達(dá)設(shè)定溫度值的恒溫加熱箱內(nèi)，靜置20min后取出方缸，置于倒置顯微平臺觀測區(qū)進(jìn)行探針顆粒布朗運動的圖像采集。實驗采用單顆粒追蹤技術(shù)，該方法具有顆粒識別容易、追蹤準(zhǔn)確等優(yōu)勢，可以精確追蹤每個時刻的顆粒位置。通過對原始圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理、顆粒識別和追蹤、數(shù)據(jù)處理等，計算出顆粒布朗運動均方位移。圖4(a）所示為實驗采集的探針顆粒原始圖像，經(jīng)過平滑、噪點清除等預(yù)處理后，獲得高質(zhì)量的顆粒圖像，如圖4(b）所示。以上圖像處理是基于Java語言的開源軟件ImageJ進(jìn)行的。
微流變實驗平臺主要由倒置顯微平臺（Lavison）、顯微物鏡（Zeiss）、電子倍增CCD相機（EMCCD,ANDOR）、連續(xù)激光器（1.5 W，λ=532nm）以及工作站組成。實驗選用直徑0.49μm熒光染色聚苯乙烯微球（Thermo Scientific）作為探針顆粒，該粒徑顆粒的布朗運動明顯，能夠準(zhǔn)確反映復(fù)雜溶液的微流變規(guī)律。實驗前，熒光微球原溶液與去離子水按體積比1∶2000配制，因此溶液中的探針顆粒密度足夠低，不會因少量探針顆粒的加入而改變被測溶液的微流變特性。實驗系統(tǒng)如圖2所示，532nm連續(xù)激光通過顯微物鏡照射待測液體中的熒光探針顆粒，顆粒受激發(fā)后發(fā)射的熒光（波長約610nm）由EMCCD實時采集，由此獲得布朗運動的圖像。相機幀率10.664幀/s，每2幀之間的時間間隔Δt為0.093 77s。考慮探針顆粒長時間運動會偏離平面觀測視場，單次實驗中連續(xù)拍攝幀數(shù)取為600，采集時長為56.26s。為開展溫度變量下的微流變研究，本文設(shè)計了一套對被測樣品溫度進(jìn)行控制的方案。溫度裝置如圖3所示，分為恒溫加熱和水浴保溫兩部分。圖3(a）為恒溫加熱箱（上海一恒，溫度分辨率/波動值：0.1℃/±0.5℃），圖3(b）是由包覆了保溫層的特制玻璃方缸制成的水浴保溫裝置。圖3(c）是待測溶液載玻片，使用凹槽載玻片（凹槽半徑7mm，槽深0.4～0.6mm）與PDMS鍵合制作而成。實驗時，首先向載玻片內(nèi)注入制備好濃度的待測溶液，然后使用硅橡膠黏合劑將進(jìn)出口密封。接下來，將盛有待測溶液的載玻片放入保溫玻璃方缸中進(jìn)行水浴加熱，加熱時將載玻片與玻璃方缸一同放入已達(dá)設(shè)定溫度值的恒溫加熱箱內(nèi)，靜置20min后取出方缸，置于倒置顯微平臺觀測區(qū)進(jìn)行探針顆粒布朗運動的圖像采集。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]軟物質(zhì)漫談[J]. 王振東,姜楠. 力學(xué)與實踐. 2014(02)
[2]聚氧化乙烯（PEO）的合成及應(yīng)用[J]. 崔鳳霞,郭春梅,王開林,崔連起,戴清文. 精細(xì)石油化工. 1999(06)
本文編號：3216447
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