界面流变学
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界面流变学测量

正如流变性学是对散装流体流动的研究一样,界面流变性是对液体界面流动特性的研究。界面流变性关注的是在两个不混相之间形成的独特的二维系统,如液体/气体和液体/液体。

本文涉及的领域

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什么是界面流变性?

当溶液中存在表面活性剂时,它们倾向于吸附在气-液或液-液界面。表面活性剂有疏水和亲水两个部分,所以当它们在界面处时,它们的方向是亲水的部分在水基溶液中而疏水的部分在空气或油相中。表面活性剂可以是表面活性剂分子、聚合物、蛋白质甚至颗粒。界面流变性学研究吸附界面层对外界刺激引起的变形的响应。响应取决于层的组成,并决定了界面的稳定性。界面稳定性对于许多使用泡沫、乳液和分散剂的行业(如制药、食品和饮料、化妆品、涂料和石油行业)至关重要。

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界面层的变形可以通过改变界面相的形状(剪切)或面积(扩张)而引起。

膨胀与剪切

膨胀界面流变学和剪切界面流变学的一个根本区别是,膨胀界面流变学对表面活性层的吸附和解吸动力学也很敏感。与界面剪切流变学一样,在变形过程中没有面积变化,因此原则上也没有膜成分的变化。在膨胀界面流变性中,表面面积的变化反过来导致在变形过程中发生吸附过程。

如何测量界面流变性?

界面层的变形可以通过改变界面相的形状(剪切)或面积(扩张)而引起。

剪切界面流变学可以用界面剪切流变仪进行研究。另一方面,膨胀方法包括朗缪尔槽振荡势垒法,或脉动滴法

脉动滴法

膨胀界面流变学可以用脉动降.测量是在垂滴法测量表面张力的基础上进行的。脉动模块包含一个压电泵,能够以已知频率振荡液滴的体积(从而振荡表面积)。界面张力将响应这一变化,因为在界面层的分子之间的距离将以相同的频率变化。

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根据所测界面张力数据,可计算表面膨胀模量E及其弹性E′(储存)和粘性E′(损失)分量

膨胀弹性方程

振荡的障碍

振荡势垒是利用朗缪尔槽在移动势垒的帮助下进行的一种膨胀界面流变学测量。振荡势垒测量可以用与标准朗缪尔等温线相同的测量硬件和软件来完成。

Langmuir槽法是研究单分子膜性质的常用方法。最典型的等温线是用来测量分子在不同表面压力下的堆积情况的。结合振荡势垒测量,可以确定在选定表面压力下界面层的粘弹性性质。振荡势垒测量仅限于低频。

界面剪切流变仪

界面流变性是一个具有挑战性的研究领域,因为在界面上的力的大小是非常小的。此外,还提出了几种不同的界面剪切方法,包括旋转环法、双松法和磁针法。特别是双松法灵敏度低,限制了对大分子层的研究。

KSV尼玛ISR翻转利用一个小型磁探头,该探头随振荡磁场移动。与旋转环法和双丙酮法相比,该方法减少了惯性,提高了探针的灵敏度,从而能够测量低分子量表面活性化合物。

工作原理

磁化探头是利用永磁体产生的磁场在空气-液体或液体-液体界面上移动的。磁阱的强度是通过上下移动磁阱来控制的。在高分辨率摄像机的帮助下,探头的运动被记录下来,摄像机可以放在接口的下方或上方。将阱和探头运动结合起来,可以计算出表面的粘弹性性质。薄膜表面的粘弹性可以分为弹性性质和粘性性质。

除了所谓的手动模式外,还有三种自动测量模式可供选择:

  • 频率扫描允许在不同频率下测量粘弹性特性。这种方法非常有用,因为流变学是随时间变化的。它允许定义薄膜在不同时间尺度上的流变行为,并提供关于粘度或弹性主导地位的信息。
  • 单频测量可用于定义粘弹性性质的时间依赖性。当结合ISR Flip高压缩槽时,粘弹性变化可以定义为表面压力的函数。
  • 振幅扫描测量允许定义粘弹性薄膜的线性区域,并允许为不同的薄膜定义合适的振荡幅度。该方法还可以检测剪切变薄和增厚。

ISR Flip的另一个优点是它可以很容易地与ISR Flip高压缩槽连接,从而可以在受控的堆积密度下进行测量。移动的屏障将压缩界面上的单层,而高灵敏度的天平检测表面压力变化作为表面积的函数。从朗缪尔等温线可以看到薄膜的不同相,粘弹性性质决定为层填料密度的函数。

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