2020-12-21
介紹
高濃度分散體系通常是非常復雜的分散體系，在靜止時微觀結構和流變性能逐漸變化，本文通過Rheolaser Master光學法微流變儀研究了高濃度分散體系在靜止狀態下粘彈性的變化過程。
微(wei)(wei)流(liu)變(bian)(bian)(bian)學(xue)(xue)(xue)過去(qu)20年一直是(shi)流(liu)變(bian)(bian)(bian)學(xue)(xue)(xue)研(yan)究的熱(re)點(dian)，前沿的研(yan)究人員對流(liu)變(bian)(bian)(bian)學(xue)(xue)(xue)表征這一技術(shu)也愈加感興趣。不同于宏觀流(liu)變(bian)(bian)(bian)學(xue)(xue)(xue)，微(wei)(wei)流(liu)變(bian)(bian)(bian)學(xue)(xue)(xue)從(cong)樣品(pin)的微(wei)(wei)觀結(jie)構(gou)出發(fa)，通過追蹤(zong)分(fen)散體(ti)系中(zhong)膠體(ti)示蹤(zong)粒子的運動情況來獲得體(ti)系的粘彈性(xing)參數。微(wei)(wei)流(liu)變(bian)(bian)(bian)學(xue)(xue)(xue)的特(te)點(dian)在于可以表征極低粘度樣品(pin)（如聚(ju)合物溶液(ye)或蛋(dan)白質(zhi)溶液(ye)）的粘彈性(xing)，測量(liang)范(fan)(fan)圍和靈敏度遠遠超過現代精密的機械(xie)流(liu)變(bian)(bian)(bian)儀可達到的范(fan)(fan)圍。微(wei)(wei)流(liu)變(bian)(bian)(bian)技術(shu)的一個重(zhong)要的優(you)點(dian)是(shi)可測量(liang)、表征弱結(jie)構(gou)流(liu)體(ti)的粘彈性(xing)。另(ling)外，所需要的樣品(pin)量(liang)非常少，操作更加簡(jian)單，可以持續追蹤(zong)粘彈性(xing)的變(bian)(bian)(bian)化過程。
粒子的布朗運動(dong)是無序(xu)運動(dong)，微流變學中研究其統計學分布規律，使用均方根位移（MSD=Mean Square Displacement）描述粒子的運動，即單位時間內粒子運動的面積。這樣便可以消除粒子移動過程中產生的不規則性。
對于純粘性非牛頓流體來說，粒子的運動是自由的，均方根位移MSD隨著粒子運動時間的增加呈直線增加，見圖1。而粘彈性非牛頓流體中的粒子在運動一段距離后會被大分子骨架阻擋和纏繞，隨著時間繼續增加，在弛豫時間TR時突破纏繞進入宏觀溶劑中，繼續運動擴大均方根面積。所以，均方根位移曲線的平臺區表現了樣品的彈性強弱，TR之后的斜率區表現樣品的粘性強弱。
結果與(yu)討(tao)論(lun)
粘(zhan)彈(dan)性平(ping)衡狀(zhuang)態的MSD曲線分析
圖(tu)2 不(bu)同樣品MSD曲線對比
上圖是(shi)三(san)個不同配方的(de)(de)(de)高濃(nong)度分散體系在粘彈(dan)性(xing)平(ping)衡時的(de)(de)(de)均方根位(wei)移曲(qu)線對比，1#為(wei)紅色(se)，2#為(wei)藍(lan)(lan)色(se)，3#為(wei)黃色(se)。首先，三(san)個樣品(pin)均有明顯的(de)(de)(de)彈(dan)性(xing)平(ping)臺(tai)，均是(shi)粘彈(dan)性(xing)流體。3#樣品(pin)（黃）的(de)(de)(de)彈(dan)性(xing)平(ping)臺(tai)區更靠(kao)近下方，說明其微觀構造的(de)(de)(de)彈(dan)性(xing)更強，2#樣品(pin)（藍(lan)(lan)）的(de)(de)(de)粘性(xing)斜率區更加靠(kao)右，說明其粘度強。
過程流(liu)變(bian)性
分析了(le)三個樣(yang)品(pin)在靜(jing)置狀態下的(de)粘度(du)因子和弛豫時間的(de)變(bian)化(hua)，通過(guo)監測各(ge)鉆(zhan)(zhan)井液(ye)流變(bian)性(xing)隨靜(jing)置時間的(de)變(bian)化(hua)對其穩定性(xing)進行排序。粘度(du)因子由均方根位(wei)移(yi)MSD曲(qu)線粘性(xing)區斜率的(de)倒數(shu)計(ji)算得來，可以直觀的(de)反應鉆(zhan)(zhan)井液(ye)粘性(xing)的(de)變(bian)化(hua)過(guo)程。
圖3 不同樣品(pin)粘度變化過程對比
從上可(ke)見，三個(ge)樣(yang)品在(zai)開(kai)始時間內由(you)于結(jie)構恢復過(guo)程，粘(zhan)度持(chi)續增(zeng)加，并逐步達到粘(zhan)性平(ping)衡，但是1#樣(yang)品（紅）在(zai)2.5h之后粘(zhan)度開(kai)始下(xia)降(jiang)，2#號樣(yang)品（藍）22h后粘(zhan)度發(fa)生下(xia)降(jiang)，說明結(jie)構也(ye)發(fa)生了崩解。3#樣(yang)品（黑(hei)）穩定，粘(zhan)度在(zai)30h測(ce)試時間內未(wei)降(jiang)低。
結論
高(gao)濃度(du)分(fen)散(san)體系(xi)(xi)中的高(gao)分(fen)子聚合物可以(yi)形成(cheng)網(wang)絡結構(gou)，用于(yu)懸浮顆粒的骨架。當分(fen)散(san)體系(xi)(xi)被(bei)攪拌后，網(wang)絡結構(gou)被(bei)打散(san)，在(zai)靜置(zhi)時(shi)開(kai)始結構(gou)恢復，黏性逐漸增加。穩定性不(bu)好的分(fen)散(san)體系(xi)(xi)在(zai)靜置(zhi)一段時(shi)間后網(wang)絡結構(gou)開(kai)始失穩，此(ci)時(shi)可能(neng)導致嚴重的顆粒沉降(jiang)問題。
微流變(bian)(bian)學可以精確地描(miao)述(shu)高濃(nong)度分散(san)體(ti)(ti)系(xi)的粘彈性(xing)變(bian)(bian)化(hua)過程，這(zhe)對進一步(bu)研(yan)究和表(biao)征(zheng)分散(san)體(ti)(ti)系(xi)復雜的終使用(yong)性(xing)能具有(you)很重要的意義。
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