視頻旋轉(zhuǎn)滴方法在界面擴張流變性質(zhì)研究中的應(yīng)用

界面流變學研究始于20世紀60年代。界面擴展和變異性是界面的重要特征之一。它與各種界面工業(yè)（如采養(yǎng)區(qū)、乳化、破乳液、萃取、提取和清潔）密切相關(guān)。然而，由于缺乏適當?shù)膶嶒瀮x器，最初的領(lǐng)域發(fā)展相當緩慢。近年來，隨著商業(yè)化工具的出現(xiàn)，界面擴張和界面化學領(lǐng)域的研究成為焦點。1擴張模量的確定當表面受到周期性壓縮和擴張時,表面張力也隨之發(fā)生周期性變化,擴張模量(ε)定義為表面張力變化與相對表面面積變化的比值,即式中,γ為表面張力,A為表面面積.對于粘彈性表面,表面張力的周期性變化與表面面積周期性變化之間存在一定的相位差θ,稱為擴張模量的相角.擴張模量可寫作復數(shù)形式:式中,ε擴張彈性和擴張粘度分別按式(3)和(4)計算:界面張力弛豫實驗是通過對瞬間形變后的界面張力衰減曲線進行Fourier變換得到界面擴張粘彈性參數(shù)的方法式中,τ2實驗部分2.1臨界膠束濃度bs2-丙基-4,5-二庚烷基苯磺酸鈉(簡稱DHPBS)為自制,臨界膠束濃度為1.27×10正癸烷,天津博迪化學有限公司,分析純(純度>99%);去離子水經(jīng)重蒸,電阻率≥18MΩ·cm2.2設(shè)備和實驗方法2.2.1界面張力及界面張力的變化本文實驗采用德國Dataphysics公司生產(chǎn)的SVT20N視頻旋轉(zhuǎn)滴張力儀,通過轉(zhuǎn)速振蕩,對液滴進行周期擾動,利用滴外形分析方法測定界面張力響應(yīng),從而獲得界面擴張流變性質(zhì)參數(shù),具體實驗裝置見圖2.SVT20N主要由測試室,電路控制系統(tǒng)及計算機三部分組成.在這種方法中,界面是通過注入的液滴與樣品管中的另一種液體接觸得到的.通過直流馬達控制的樣品管旋轉(zhuǎn)速率的變化,使液滴的大小發(fā)生變化,改變界面的面積大小.它不需要額外的測力裝置,通過攝像機所攝到的液滴形狀,經(jīng)過軟件處理,可同時得到界面的面積和動態(tài)界面張力.首先用一支注射器將表面活性劑液體注入樣品管內(nèi),直到液體從樣品管的口部溢出,再小心地將低密度液體(油相)通過微量注射器注入已經(jīng)填充好的樣品管.將填充好的樣品管安裝到測量室,調(diào)節(jié)樣品管的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速至所需的測量轉(zhuǎn)速,通過SVT20N的攝像機捕捉油滴并選擇相應(yīng)的測試方式得到界面張力值.SVT20N的攝像機能攝到液滴面積的瞬間變化,通過相應(yīng)軟件SVTS處理,可以得到整個吸附過程的動態(tài)界面張力的變化,直到界面張力達到完全平衡為止.體系完全達到平衡之后,通過SVTS軟件設(shè)置,改變樣品管的轉(zhuǎn)速,從而使液滴面積發(fā)生正弦周期的改變.以電影文件,記錄不同工作頻率(0.005-0.1Hz)的擴張流變參數(shù)測量實驗.實驗結(jié)束后,通過相應(yīng)軟件讀取電影文件,計算面積的改變以及界面張力的相應(yīng)變化,并通過Fourier變換計算得到擴張參數(shù).最后,進行界面張力弛豫實驗,界面形變是通過突然增大樣品管的轉(zhuǎn)速達到的.實驗溫度控制在(30.0±0.1)℃,正癸烷作為油相,水相為1×102.2.2trager-液相擴張流變測試實驗采用法國IT-CONCEPT公司的TRACKER擴張流變儀.TRACKER擴張流變儀通過對懸掛氣泡/液滴的振蕩,測定界面擴張流變性質(zhì).實驗溫度控制在(30.0±0.1)℃,擴張形變?yōu)?0%(ΔA/A,10%),正癸烷作為油相,水相為1×103結(jié)果與討論3.1注入液滴體積的影響界面擴張流變參數(shù)測量的前提條件是界面張力對界面面積正弦周期擾動的線性響應(yīng),即當轉(zhuǎn)速周期振蕩時,界面面積和界面張力同時周期變化首先考察了不同注入液滴體積的影響,分別研究了注入油滴體積為0.95和2.66μL時的界面擴張性質(zhì).實驗發(fā)現(xiàn),注入油滴體積過小時,不能得到界面面積和界面張力的正弦變化曲線,因此得不到相應(yīng)的擴張參數(shù).圖3示出了注入油滴體積為2.66μL時界面面積和界面張力隨轉(zhuǎn)速周期振蕩的變化.從圖中可以看出,此時界面面積和界面張力均呈現(xiàn)典型的正弦周期變化.本文實驗中注入油滴的體積均為2.66μL.3.2基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速和振蕩振幅的測量本實驗中,樣品管的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速和振蕩振幅是影響擴張粘彈參數(shù)的重要因素.不同工作頻率條件下,DHPBS溶液的界面擴張參數(shù)隨基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速及振蕩振幅的變化趨勢列于表1.測量界面張力所必須的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速主要取決于內(nèi)相和外相的密度差,以消除浮力對測定的影響一般情況下,建議測量界面張力的速度范圍是3000-7000r·min一定實驗條件下,轉(zhuǎn)速振幅越大,界面面積和界面張力的改變就越大,測量結(jié)果也就越準確.表1中還可以看出,不同工作頻率條件下,振蕩振幅對1×103.3界面張力及最小面積根據(jù)上面實驗結(jié)果,選取基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速7000r·min對于理想的線性響應(yīng)區(qū)域,振蕩過程中的界面面積對界面張力作圖,其結(jié)果為一傾斜的橢圓.這是因為Δγ與面積的運動都是時間的正弦函數(shù),而且具有因粘性體系的時間依賴的松弛現(xiàn)象而引起的位相差.在多重波反射使得界面的形變是均勻的極限情況下,界面上各處可發(fā)現(xiàn)相同的橢圓形.界面張力曲線的振幅等于橢圓的長半軸,界面進行擴張和壓縮時的最大面積和最小面積也可以從圖中直接得到,進而從公式(1)得到擴張模量;而相角θ可自達到界面張力最大值和界面面積最大值所經(jīng)歷的時間之差得到.在純彈性情況,界面張力隨界面面積變化自動地調(diào)節(jié),橢圓蛻變?yōu)橹本€.圖4示出1×103.4界面弛豫過程的研究界面上吸附分子的行為表現(xiàn)為多種微觀弛豫過程.通過對界面實施一個突然的擾動,然后分析界面重新恢復平衡的過程,可以得知分子間的相互作用以及分子在界面上可能存在的聚集體等信息界面弛豫實驗的關(guān)鍵在于對界面實施擾動要足夠快,否則,弛豫過程在實驗時間內(nèi)的作用無法忽略測定的界面擴張參數(shù)偏低.旋轉(zhuǎn)滴方法進行界面擴張弛豫實驗,最大擾動幅度時(2000r·min考察了不同基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速條件下,不同擾動幅度對實驗結(jié)果的影響.圖5為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速為5000r·min3.5旋轉(zhuǎn)滴法與懸掛滴法的比較圖6比較了旋轉(zhuǎn)滴法及懸掛滴法兩種不同測試方法所得的擴張模量參數(shù).從圖中可以看出,在實驗測試頻率范圍內(nèi),低工作頻率時旋轉(zhuǎn)滴法得到的擴張模量要低于懸掛滴法.隨著頻率的增大,兩種測試方法所得的擴張模量值相近,高工作頻率時,旋轉(zhuǎn)滴法得到的擴張模量值略高.總體而言,考慮到兩種方法中油水比的差異,實驗結(jié)果還是較為接近的,旋轉(zhuǎn)滴方法的測定結(jié)果