基于单颗粒追踪法研究聚氧化乙烯溶液的微流变特性
发布时间：2021-06-07 10:57
基于单颗粒追踪方法研究了不同温度与浓度下聚氧化乙烯（PEO）溶液的微观流变特性。根据广义Stokes-Einstein关系及复杂流体黏弹性理论,利用颗粒追踪技术,对浓度为0.4wt%～1.0wt%的PEO溶液在25℃、35℃和45℃时的微观流变特性进行了测量和分析。研究结果表明,随着被测溶液浓度的增加,探针颗粒的布朗运动受限趋势增大,其中浓度为1.0wt%的PEO溶液在25℃时布朗运动受限最为显著。黏弹特性模量求解结果表明:在实验条件下,PEO溶液的黏性模量（G″（ω））占主导而弹性模量（G′（ω））表现较弱;在相同温度下,黏弹性模量随着溶液浓度上升而增大;随着温度的升高,溶液弹性模量和黏性模量都呈现减小趋势,且弹性模量减小速率大于黏性模量减小速率。均方位移标准差分析表明,基于单颗粒追踪的微流变测量误差随追踪时间的增加呈增大趋势。
【文章来源】：实验流体力学. 2020,34(02)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
颗粒在高分子溶液中受链状分子网络限制的示意图
为开展温度变量下的微流变研究，本文设计了一套对被测样品温度进行控制的方案。温度装置如图3所示，分为恒温加热和水浴保温两部分。图3(a）为恒温加热箱（上海一恒，温度分辨率/波动值：0.1℃/±0.5℃），图3(b）是由包覆了保温层的特制玻璃方缸制成的水浴保温装置。图3(c）是待测溶液载玻片，使用凹槽载玻片（凹槽半径7mm，槽深0.4～0.6mm）与PDMS键合制作而成。实验时，首先向载玻片内注入制备好浓度的待测溶液，然后使用硅橡胶黏合剂将进出口密封。接下来，将盛有待测溶液的载玻片放入保温玻璃方缸中进行水浴加热，加热时将载玻片与玻璃方缸一同放入已达设定温度值的恒温加热箱内，静置20min后取出方缸，置于倒置显微平台观测区进行探针颗粒布朗运动的图像采集。实验采用单颗粒追踪技术，该方法具有颗粒识别容易、追踪准确等优势，可以精确追踪每个时刻的颗粒位置。通过对原始图像进行图像预处理、颗粒识别和追踪、数据处理等，计算出颗粒布朗运动均方位移。图4(a）所示为实验采集的探针颗粒原始图像，经过平滑、噪点清除等预处理后，获得高质量的颗粒图像，如图4(b）所示。以上图像处理是基于Java语言的开源软件ImageJ进行的。
微流变实验平台主要由倒置显微平台（Lavison）、显微物镜（Zeiss）、电子倍增CCD相机（EMCCD,ANDOR）、连续激光器（1.5 W，λ=532nm）以及工作站组成。实验选用直径0.49μm荧光染色聚苯乙烯微球（Thermo Scientific）作为探针颗粒，该粒径颗粒的布朗运动明显，能够准确反映复杂溶液的微流变规律。实验前，荧光微球原溶液与去离子水按体积比1∶2000配制，因此溶液中的探针颗粒密度足够低，不会因少量探针颗粒的加入而改变被测溶液的微流变特性。实验系统如图2所示，532nm连续激光通过显微物镜照射待测液体中的荧光探针颗粒，颗粒受激发后发射的荧光（波长约610nm）由EMCCD实时采集，由此获得布朗运动的图像。相机帧率10.664帧/s，每2帧之间的时间间隔Δt为0.093 77s。考虑探针颗粒长时间运动会偏离平面观测视场，单次实验中连续拍摄帧数取为600，采集时长为56.26s。为开展温度变量下的微流变研究，本文设计了一套对被测样品温度进行控制的方案。温度装置如图3所示，分为恒温加热和水浴保温两部分。图3(a）为恒温加热箱（上海一恒，温度分辨率/波动值：0.1℃/±0.5℃），图3(b）是由包覆了保温层的特制玻璃方缸制成的水浴保温装置。图3(c）是待测溶液载玻片，使用凹槽载玻片（凹槽半径7mm，槽深0.4～0.6mm）与PDMS键合制作而成。实验时，首先向载玻片内注入制备好浓度的待测溶液，然后使用硅橡胶黏合剂将进出口密封。接下来，将盛有待测溶液的载玻片放入保温玻璃方缸中进行水浴加热，加热时将载玻片与玻璃方缸一同放入已达设定温度值的恒温加热箱内，静置20min后取出方缸，置于倒置显微平台观测区进行探针颗粒布朗运动的图像采集。
【参考文献】：
期刊论文
[1]软物质漫谈[J]. 王振东,姜楠. 力学与实践. 2014(02)
[2]聚氧化乙烯（PEO）的合成及应用[J]. 崔凤霞,郭春梅,王开林,崔连起,戴清文. 精细石油化工. 1999(06)
本文编号：3216447
【文章来源】：实验流体力学. 2020,34(02)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
颗粒在高分子溶液中受链状分子网络限制的示意图
为开展温度变量下的微流变研究，本文设计了一套对被测样品温度进行控制的方案。温度装置如图3所示，分为恒温加热和水浴保温两部分。图3(a）为恒温加热箱（上海一恒，温度分辨率/波动值：0.1℃/±0.5℃），图3(b）是由包覆了保温层的特制玻璃方缸制成的水浴保温装置。图3(c）是待测溶液载玻片，使用凹槽载玻片（凹槽半径7mm，槽深0.4～0.6mm）与PDMS键合制作而成。实验时，首先向载玻片内注入制备好浓度的待测溶液，然后使用硅橡胶黏合剂将进出口密封。接下来，将盛有待测溶液的载玻片放入保温玻璃方缸中进行水浴加热，加热时将载玻片与玻璃方缸一同放入已达设定温度值的恒温加热箱内，静置20min后取出方缸，置于倒置显微平台观测区进行探针颗粒布朗运动的图像采集。实验采用单颗粒追踪技术，该方法具有颗粒识别容易、追踪准确等优势，可以精确追踪每个时刻的颗粒位置。通过对原始图像进行图像预处理、颗粒识别和追踪、数据处理等，计算出颗粒布朗运动均方位移。图4(a）所示为实验采集的探针颗粒原始图像，经过平滑、噪点清除等预处理后，获得高质量的颗粒图像，如图4(b）所示。以上图像处理是基于Java语言的开源软件ImageJ进行的。
微流变实验平台主要由倒置显微平台（Lavison）、显微物镜（Zeiss）、电子倍增CCD相机（EMCCD,ANDOR）、连续激光器（1.5 W，λ=532nm）以及工作站组成。实验选用直径0.49μm荧光染色聚苯乙烯微球（Thermo Scientific）作为探针颗粒，该粒径颗粒的布朗运动明显，能够准确反映复杂溶液的微流变规律。实验前，荧光微球原溶液与去离子水按体积比1∶2000配制，因此溶液中的探针颗粒密度足够低，不会因少量探针颗粒的加入而改变被测溶液的微流变特性。实验系统如图2所示，532nm连续激光通过显微物镜照射待测液体中的荧光探针颗粒，颗粒受激发后发射的荧光（波长约610nm）由EMCCD实时采集，由此获得布朗运动的图像。相机帧率10.664帧/s，每2帧之间的时间间隔Δt为0.093 77s。考虑探针颗粒长时间运动会偏离平面观测视场，单次实验中连续拍摄帧数取为600，采集时长为56.26s。为开展温度变量下的微流变研究，本文设计了一套对被测样品温度进行控制的方案。温度装置如图3所示，分为恒温加热和水浴保温两部分。图3(a）为恒温加热箱（上海一恒，温度分辨率/波动值：0.1℃/±0.5℃），图3(b）是由包覆了保温层的特制玻璃方缸制成的水浴保温装置。图3(c）是待测溶液载玻片，使用凹槽载玻片（凹槽半径7mm，槽深0.4～0.6mm）与PDMS键合制作而成。实验时，首先向载玻片内注入制备好浓度的待测溶液，然后使用硅橡胶黏合剂将进出口密封。接下来，将盛有待测溶液的载玻片放入保温玻璃方缸中进行水浴加热，加热时将载玻片与玻璃方缸一同放入已达设定温度值的恒温加热箱内，静置20min后取出方缸，置于倒置显微平台观测区进行探针颗粒布朗运动的图像采集。
【参考文献】：
期刊论文
[1]软物质漫谈[J]. 王振东,姜楠. 力学与实践. 2014(02)
[2]聚氧化乙烯（PEO）的合成及应用[J]. 崔凤霞,郭春梅,王开林,崔连起,戴清文. 精细石油化工. 1999(06)
本文编号：3216447
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