片状粒子悬浮液流变学研究

发布时间：2019-11-27 10:39

【摘要】：悬浮液流变学研究中对平衡态的球状粒子填充悬浮液体系研究较多,全面表征、探讨片状粒子填充悬浮液的非平衡态结构变化及影响因素的报导较少。人造水辉石分散液是典型的片状粒子填充牛顿流体悬浮液,氧化石墨烯/聚乙二醇(GO/PEG)分散液是典型的片状粒子填充粘弹性流体悬浮液,本研究的主要工作为对两者的老化过程进行流变学研究,讨论悬浮液结构动态发展的影响因素与规律,明确悬浮液动态变化对流变性质的影响。本研究的主要内容和结果如下:1、对不同浓度的人造水辉石分散液(CL=2.6、2.8、3.0、3.2、3.5 wt%)的老化过程使用多频叠加振荡时间扫描技术进行跟踪,讨论不同老化条件(时间、温度)对人造水辉石分散液老化程度的影响。发现通过预剪切(速率γ=3000 s-1、时间t=100 s)可以将经历10次以内“老化-复原再生”循环的老化的人造水辉石分散液“复原再生”至基本一致的流变测试起始状态。处于非平衡态的老化过程中的人造水辉石分散液分别符合时间-老化时间叠加、时间-温度叠加以及时间-老化时间-温度叠加,证明了人造水辉石分散液的老化路径具有动态普适性。使用人造水辉石分散液时间-老化时间-温度叠加的总频率谱曲线得到人造水辉石分散液的松弛谱,发现人造水辉石松弛谱符合Dannert提出的统一凝胶体系与玻璃体系的胶体体系幂律分布松弛谱,其幂指数n随人造水辉石浓度的增大发生了由负到正的转变,从流变学角度区分人造水辉石分散液随浓度增大由凝胶到玻璃的变化。2、采用自研改进的Hummer’s法制备GO,使用红外、XPS、TG等方法对得到的GO进行表征,证明成功制备了GO。测试GO水分散液粘度,定性证实GO具有大长径比片状结构,使用AFM测得GO的长径比约为1500。使用该大长径比GO制备不同GO填充浓度的5 wt%PEG分散液,发现GO填充浓度在0.01 mg/mL至0.2 mg/mL范围内时,GO/PEG分散液粘度有异常降低现象,推测该现象可能是由于添加适量GO后,GO破坏PEG与水分子间的氢键数大于新增的GO与水分子间的氢键数从而导致GO/PEG分散液粘度下降。对GO/PEG分散液的老化过程使用稳态剪切、SAOS方法进行流变表征,发现GO/PEG分散液的粘度会随老化在低γ范围增大,不再出现粘度平台;GO填充浓度为5 mg/mL的G5P5老化后会出现瞬态额外第一法向应力差。推测认为老化会使GO/PEG分散液的GO发生解取向,剪切使老化解取向的GO重新取向,该重新取向的过程就导致了额外第一法向应力差的出现。老化温度是决定GO片解取向速率的核心因素,老化时间决定GO解取向的累积效果。对于相同老化程度的G5P5,在剪切重新取向的过程中,长时间低γ剪切与短时间高γ剪切对GO重取向的效果相同。3、对老化7天的5 wt%PEG溶液(P5)、预剪切处理的5 wt%PEG溶液(P5_preshear)、5 mg/ml GO 5 wt%PEG分散液(G5P5)、预剪切处理的5 mg/ml GO 5 wt%PEG分散液(G5P5_preshear)采用控制剪切速率幅值的方法分别进行LAOS测试,表征其非线性粘弹性。发现四个样品的非线性粘弹性在频率相同时均随剪切速率幅值增大而增大;P5_preshear、G5P5不同频率的剪切应力三次谐波相对幅值I3/1、第一法向应力差N_1的直流分量DC、第一法向应力差N_1的基频分量I2在0γ增大到一定程度后分别各自落入一条主曲线,0γ取代0γ成为控制样品非线性的决定因素。G5P5各项非线性参数(G0’、I3/1、δ、N_1_DC、N_1_I2、δN_1及Lissajous曲线)均明显不同于P5、P5_preshear、G5P5_preshear,并且在LAOS测试中也出现额外第一法向应力差,说明解取向的GO使G5P5表现出更强的非线性。并且还发现G5P5额外增强的各项非线性参数随0γ增大逐渐减小至与G5P5_preshear接近,证实LAOS剪切也可以将解取向的GO片重新取向。不同的LAOS参数中,δN_1(Lissajous曲线的“开口”方向)对GO取向/解取向最敏感,而Ne可以将P5、P5_preshear、G5P5、G5P5_preshear四个样品区别开。
【图文】：

势能,胶体粒子,吸引势,热运动

热运动是胶体体系受到扰动（形变）平衡结构产生变化后促使胶体恢复平衡力，这一恢复过程的时间尺度就是衡量形变速率“快慢”的标准。在流场中受到液体介质的作用力为静水压力，也称为斯托克斯拖曳力（Stokes drag）表 1-1 胶体粒子热运动特征应力与粒子半径关系Figure 1-1 Characteristic stress for spherical particles of a given radius粒子半径 (m) 粒子表面积（m2/g）热运动特征应力（10-91.50×1034.10×10610-81.50×1024.10×10310-71.50×1014.10×10010-61.50×1004.10×10-3

粘弹性流体,粘度,行为,应力

与受力流动前的位置无关。需要指出的是，粘弹性流体并不仅仅是固体与液体的简单叠加，不单是粘弹性流体受外力作用后既有弹性形变，又有粘性流动，，外力撤去弹性形变可以恢复，粘性流动则造成永远形变，更重要的是粘弹性流体受外力作用后的应力与应变（应变速率）之间的响应不再是瞬时响应，即应变（应变速率）不再是决定粘弹性流体的弹性力学响应（粘性力学响应）的唯一因素。粘弹性流体特有的力学松弛行为造成了其以往应变对现时状态的应力仍产生影响，也即粘弹性流体具有对形变的“记忆”能力，并且距现时时刻“新近”的形变远比“遥远”的形变对粘弹性流体现时力学响应的影响高的多，粘弹性流体的“记忆”能力随时间演变有“衰减”效应。实际流变测试中，粘弹性流体受到剪切往往表现出如图 1-2 所示的粘度与法向应力行为，粘度随剪切速率增大出现剪切变稀现象，第一法向应力差 N1为正值，随剪切速率增大而迅速增大，第二法向应力差 N2为负值，随剪切速率增大其绝对值逐渐增大，但远小于 N1。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ177

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