基于颗粒示踪法测量粘弹性液体弹性剪切模量的方法技术

本发明专利技术公开一种基于颗粒示踪法测量粘弹性液体弹性剪切模量的方法，通过在粘弹性溶液中加入示踪颗粒，制备成含有示踪颗粒的粘弹性溶液的液膜，在其上滴入表面活性剂液滴从而在液膜表面产生表面张力梯度，通过测量粘弹性液体在剪切铺展运动时示踪颗粒的最大位移，可得出粘弹性液膜剪切运动的应变大小；同时根据液膜运动位移和表面张力梯度得出此时的剪切应力大小，从而建立剪切作用下剪切应力与剪切应变的相关性模型，计算出粘弹性液膜的弹性剪切模量。与现有的流变仪测量弹性液体的剪切模量的技术相比，本发明专利技术为粘弹性液体的弹性剪切模量的测量提供了一种新的方法；且所需试样量大为减少，对珍贵液体的测量具有重要意义。对珍贵液体的测量具有重要意义。对珍贵液体的测量具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
基于颗粒示踪法测量粘弹性液体弹性剪切模量的方法


[0001]本专利技术属于颗粒示踪实验辅助的微流动液体领域，具体涉及一种粘弹性流体弹性剪切模量的测量方法。

技术介绍

[0002]不同于仅能储存机械能的弹性体(如橡胶，金属)和仅能耗散机械能的粘性流体(如水、甘油)，粘弹性液体同时具备了存储机械能和耗散机械能的能力，是一种在特征时间τ以内以存储机械能为主，特征时间τ以外以耗散机械能为主的，兼具弹性变形和粘性耗散能力的液体。粘弹性液体的弹性剪切模量通常需要使用高精密的流变仪进行测量，流变仪造价很高；此外，由转子马达等重型机械构成，使用不同的转子进行测量所需的样品体积也不同，其中使用锥板转子测量需要1
‑
2毫升样品，使用圆筒转子需要10
‑
15毫升样品；对于一些珍贵的液体，每进行一次测量操作需耗费昂贵的试剂，重复多次测量将消耗大剂量的试剂，成本较高。

技术实现思路

[0003]为了解决现有粘弹性液体弹性剪切模量的测量成本高、液体耗费量大的技术问题，本专利技术提供一种基于颗粒示踪法测量粘弹性液体弹性剪切模量的方法，可将一次测量所消耗的液体体积降低10倍以上。
[0004]本专利技术的技术解决方案如下：
[0005]基于颗粒示踪法测量粘弹性液体弹性剪切模量的方法，包括以下步骤：
[0006]在待测粘弹性液体试样中加入多颗示踪颗粒，所述示踪颗粒的密度与待测粘弹性液体的密度差小于等于5％；
[0007]对含示踪颗粒的粘弹性液体的表面张力S1进行测量；
[0008]对表面活性剂的表面张力S2进行测量；
[0009]将加入示踪颗粒的待测粘弹性液体在光滑平面上铺开，形成液膜；
[0010]在液膜的表面滴加所述表面活性剂，使液膜及示踪颗粒在表面张力梯度的作用下运动；
[0011]观测液膜及示踪颗粒的运动情况，获取示踪颗粒在发生回缩的拐点时刻，液膜运动最前端与表面活性剂滴落位置的距离x及该时刻示踪颗粒运动的最大位移δr；
[0012]根据公式ε＝δr/h0计算剪切应变ε，根据公式σ＝S/x计算剪切应力σ；其中h0为液膜的初始平均厚度，S为表面张力差，S＝S1
‑
S2；
[0013]将多个示踪颗粒对应的剪切应力和剪切应变数据绘制在XY坐标系中，进行线性拟合，拟合直线的斜率即为弹性剪切模量G。
[0014]本专利技术与现有技术相比，有益效果是：
[0015]1.本专利技术基于颗粒示踪法测量粘弹性液体弹性剪切模量的方法，为粘弹性液体的弹性剪切模量的测量提供了一种新的方法。
[0016]2.本专利技术与现有的采用流变仪进行弹性剪切模量测量的方法相比，本专利技术检测所需试样量仅为0.1ml
‑
0.2ml，所需的试样量大为减少，对珍贵液体的测量具有重要意义。
[0017]3.本专利技术在弹性剪切模量测量过程中，所需测量仪器更加易得，仅需常见的表面张力测量仪即可完成；测量方法也比较简单，易于实现。
附图说明
[0018]图1是本专利技术方法中的剪切铺展实验的液膜内部示踪颗粒分布图，图中a为液膜的运动边界，b为丝状结构；
[0019]图2是PTV识别后的颗粒位置分布与速度场图；
[0020]图3是基于示踪颗粒移动所显示的液膜内部应力
‑
应变实验数据点及拟合曲线图。
具体实施方式
[0021]以下从本专利技术的原理出发对本专利技术进行详细说明。
[0022]本专利技术基于颗粒示踪法测量粘弹性液体的弹性剪切模量，颗粒示踪法是一种广泛运用的表征整个运动平面内的溶液流动情况的实验方法。通过跟踪每一个颗粒的运动轨迹，可以实现在微观尺度内描述某个点附近的液体的局部运动情况。同时，通过追踪大量颗粒的轨迹来描述整个平面内的所有运动细节，是一种高效、描述空间范围更广的表征液体性质的方法。
[0023]本专利技术使用此颗粒示踪法可得到整个平面内液膜剪切铺展的位移场，通过测量粘弹性液体在剪切铺展运动时示踪颗粒从初始静止状态到恰好不回缩时所运动的最大位移，可得出粘弹性液膜剪切运动的应变大小。而由于液膜铺展的动力是表面张力梯度，其大小由铺展前缘的位置决定，故可根据剪切铺展的铺展前缘的位置得到对应的剪切应力，由此得到铺展过程的应力
‑
应变关系，即可得到液膜的弹性剪切模量。
[0024]该方法包括如下步骤：
[0025]在待测粘弹性液体试样中加入多颗示踪颗粒，示踪颗粒的密度与待测粘弹性液体的密度差小于等于5％；
[0026]对含示踪颗粒的粘弹性液体的表面张力S1进行测量；
[0027]对表面活性剂的表面张力S2进行测量；
[0028]将加入示踪颗粒的待测粘弹性液体在光滑平面上铺开，形成液膜；
[0029]在液膜的表面滴加所述表面活性剂，使液膜及示踪颗粒在表面张力梯度的作用下运动；
[0030]观测液膜及示踪颗粒的运动情况，获取示踪颗粒在发生回缩的拐点时刻，液膜运动最前端与表面活性剂滴落位置的距离x及该时刻示踪颗粒运动的最大位移δr；
[0031]根据公式ε＝δr/h0计算剪切应变ε，根据公式σ＝S/x计算剪切应力σ；其中h0为液膜的初始平均厚度，S为表面张力差，S＝S1
‑
S2；
[0032]将多个示踪颗粒对应的剪切应力和剪切应变数据绘制在XY坐标系中，进行线性拟合，拟合直线的斜率即为弹性剪切模量G。
[0033]本专利技术测量方法的适用条件：表面活性剂液滴滴在液面上所形成的表面张力梯度足够大，粘弹性液体所形成的液膜在表面张力梯度作用下能够使得内部的示踪颗粒进行移
动和回缩。在应用过程中，可以根据所测粘弹性液体的性质，选择合适的表面活性剂。
[0034]此外，本专利技术中示踪颗粒的选择需要注意以下几点：
[0035]第一：示踪颗粒的密度与所测量的粘弹性液体的密度接近，在液膜铺展的时间尺度内可悬浮在液体内部不下沉。一般需满足密度与液膜的密度相差在5％以内。
[0036]第二：颗粒的直径比将要制备的液膜厚度小近一个数量级，此时可以忽略颗粒和液体之间的相对运动，认为颗粒完全随液体的运动而运动。
[0037]在进行示踪颗粒的直径选择时，可以先测量粘弹性液体的粘性值η1和表面活性剂液滴的粘性值η2，并且根据h0(mm)≤(η1‑
η2)
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3/400估算液膜的厚度h0，其中粘弹性液体的粘性值η1和表面活性剂液滴的粘性值η2单位为毫帕
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秒，3/400的单位为米/(帕
·
秒)，厚度范围计算结果的单位为mm。
[0038]第三：粘弹性溶液中的示踪颗粒浓度最好在一个适合的范围，浓度太低会导致视野内可观测的示踪颗粒数量太少，无法取得足够的位移数据，浓度太大示踪颗粒会因为距离太近和聚集迅速而不好识别，影响到PTV识别的准确性。可选的，粘弹性溶液中的示踪颗粒浓度需在1.6
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于颗粒示踪法测量粘弹性液体弹性剪切模量的方法，其特征在于：包括以下步骤：在待测粘弹性液体试样中加入多颗示踪颗粒，所述示踪颗粒的密度与待测粘弹性液体的密度差小于等于5％；对含示踪颗粒的粘弹性液体的表面张力S1进行测量；对表面活性剂的表面张力S2进行测量；将加入示踪颗粒的待测粘弹性液体在光滑平面上铺开，形成液膜；在液膜的表面滴加所述表面活性剂，液膜及示踪颗粒在表面张力梯度的作用下运动；观测液膜及示踪颗粒的运动情况，获取示踪颗粒在发生回缩的拐点时刻，液膜运动最前端与表面活性剂滴落位置的距离x及该时刻示踪颗粒运动的最大位移δr；根据公式ε＝δr/h0计算剪切应变ε，根据公式σ＝S/x计算剪切应力σ；其中h0为液膜的初始平均厚度，S为表面张力差，S＝S1
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S2；将多个示踪颗粒对应的剪切应力和剪切应变数据绘制在XY坐标系中，进行线性拟合，拟合直线的斜率即为弹性剪切模量G。2.根据权利要求1所述的基于颗粒示踪法测量粘弹性液体弹性剪切模量的方法，其特征在于：所述待测粘弹性液体为包括聚环氧乙烷PEO及聚环氧乙烷PEG的Boger粘弹性溶液。3.根据权利要求2所述的基于颗粒示踪法测量粘弹性液体弹性剪切模量的方法，其特征在于：所述示...

【专利技术属性】
技术研发人员：李真珍，马雪，黄彦如，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：