界面流变仪

PhysicaPhysica Rheometer Rheometer ::: Intelligence in ::: Intelligence in RheometryRheometry www.anton-paar.com 二维空间流变学: 液/液﹑液/气界面薄膜上剪切流变性能的测试仪器 PhysicaPhysica 界面流变系统界面流变系统 PhysicaPhysica Rheometer Rheometer ::: Intelligence in ::: Intelligence in RheometryRheometry www.anton-paar.com 界面流变学的背景界面流变学的背景 乳液的加工 处理 食品原料和消费产品 的微观结构BAM 液滴的变形 液滴的合并 乳液的稳定性和流变性 微胶囊化 界面的传递作用 (例如: 药物从微 胶囊中的释放过程) 界面流变学的应用领域: PhysicaPhysica Rheometer Rheometer ::: Intelligence in ::: Intelligence in RheometryRheometry www.anton-paar.com 界面剪切应力 τσ 截面剪切粘度 ησ  τσ = ησ • [ησ] = Pa·s·m = N·s/m 或表面泊 surface poise „Ability of a liquid interface to transport momentum in shear deformation within its own plane “ Boussinesq Number RDragSubphase DragInterface bulk ⋅ == η ησBo Bulk liquid Interface 表面速率 梯度 oil water water air γ 界面流变学的背景界面流变学的背景 PhysicaPhysica Rheometer Rheometer ::: Intelligence in ::: Intelligence in RheometryRheometry www.anton-paar.com Analysis of the flow field for the Bi-Conical Disk Rheometer: Oh & Slattery (1978) J.Colloid Interface Sci. 67(3): 516-525 Jump Mass Balance / Continuity Jump Momentum Balance across the interface Surface Stress Tensor Boussinesq (1913), Scriven (1960) 0div 0div 0div 21 =⋅== vvvσσ τ1⋅n1+ τ2 ⋅n2 +divσ τσ =0 τσ =[γ + (εσ −ησ ) divσ v σ ]P + 2ησ Dσ Interfacial rate of deformation tensor εσ Interfacial dilatational viscosity 界面扩张粘度ησ Interfacial shear viscosity 界面剪切粘度 ni Unit normal to the interface pointing into liquid i Stress tensor in liquid phase i 液相I的应力张量 Interfacial stress tensor 界面应力张量 divσ Interfacial divergence operator 界面分歧算子 vσ Interfacial velocity vector 界面速度向量 Projection tensor Dσ τσ τ i P 界面流变学的背景界面流变学的背景 PhysicaPhysica Rheometer Rheometer ::: Intelligence in ::: Intelligence in RheometryRheometry www.anton-paar.com 测量转子: Bi-Cone(双锥面) 把锥面直接定位在液液或液气界面上 二维空间上的Couette(库爱特)系统 界面流动是与体相流动相关连的 ÆAnalysis of the flow field for the Bi- Conical Disk Rheometer for taking care of contributions from liquid 1 and liquid 2: (Oh & Slattery (1978) J.Colloid Interface Sci. 67(3): 516-525) 界面流变学的背景界面流变学的背景 PhysicaPhysica Rheometer Rheometer ::: Intelligence in ::: Intelligence in RheometryRheometry www.anton-paar.com • Physica MCR 流变仪 使用同步电子整流电机(EC-Motor) 可以实现真实的应变控制和 应力控制。 J. Läuger, S. Huck: Proceedings of the XIIIth International Congress on Rheology, Cambridge, UK (2000), 3: 10-13 • Direct Strain Oscillation (Physica DSO) 使用真实位置控制器代替振幅控制器的振荡测试方法. 允许振荡测试从极小的偏转角度(0.1µrad)和极小的扭矩 (0.01µNm)开始. J. Läuger, K.Wollny, S.Huck: - Proceedings 3rd Pacific Rim Conference on Rheology, Vancouver, Canada (2001) - Rheol. Acta, 41, 356-361 (2002) 仪器和方法仪器和方法 PhysicaPhysica Rheometer Rheometer ::: Intelligence in ::: Intelligence in RheometryRheometry www.anton-paar.com MCR 300 Rheometer + Interfacial Rheology System (IRS) H1 = 22,5 mm H2 = 45 mm R = 40 mm R2 = 34,14 mm 2 α = 10° ~~~~~~~~ ~~~~~~~~ ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Air Liquid 2 Liquid 2 Liquid 1 R2 R z = H2 z = H1 z = 0 实验装置实验装置 PhysicaPhysica Rheometer Rheometer ::: Intelligence in ::: Intelligence in RheometryRheometry www.anton-paar.com 界面位置的确定界面位置的确定 1.转子在空气中时,法向应 力为零. 2.当转子尖端接触到液体 表面时,法向应力产生突 变,这个突变的位置就是 下层液体的表面位置. 3.根据已知的转子体积参 数,就可以计算出界面的 准确位置了,这时转子的 边缘会准确地落在界面上 4.界面确定后,就可以进行 膜的铺展或加入上层液体 了. 利用法向应力确定转子的位置 PhysicaPhysica Rheometer Rheometer ::: Intelligence in ::: Intelligence in RheometryRheometry www.anton-paar.com 具有憎水集团和亲水集团的物质在水表面形成一层膜 形成界面膜的两种方法: 1.铺展膜 • 主要是低分子量表面活性剂 • 把表面活性剂溶解到分散溶剂中 (例如己烷, 酒精, 氯仿) • 用微量调节注射器直接铺展到水上 • 等待溶剂完全蒸发 • 把油相加到表面活性剂薄膜上 2.吸收膜 • 以蛋白质界面层为例 • 把蛋白质溶解在蒸馏水里 • 把油相轻轻的加到水/蛋白质溶液上 • 通过从体相吸收到界面上而形成薄膜 怎样形成薄膜或单层膜怎样形成薄膜或单层膜 PhysicaPhysica Rheometer Rheometer ::: Intelligence in ::: Intelligence in RheometryRheometry www.anton-paar.com 测试材料: 1.小分子量表面活性剂 • 山梨聚糖酯 Sorbitan Esters (“Spans”) • 山梨聚糖三硬脂酸酯 Sorbitan Tristearate (Span 65) 平均分子量 697 g/mol 2. Macromolecular Surfactant • 乳清蛋白质浓缩物 (WPC) 主要物质含量 (%w/w): - a-乳白蛋白 Lactalbumin (20%), IgG (10%), BSA (8%) - ß -乳球蛋白 Lactoglobulin (>40%) 测试实例－测试实例－瑞士联邦工学院瑞士联邦工学院PhilippPhilipp ErniErni教授教授 ß PhysicaPhysica Rheometer Rheometer ::: Intelligence in ::: Intelligence in RheometryRheometry www.anton-paar.com 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 0.001 0.01 0.1 1 10 100 Shear Rate [s-1] I n t e r f a c i a l S h e a r V i s c o s i t y [ m P a · s · m ] pure air/water interface Span 65 Span 65 (24 hrs. later) Sorbitan tristearate (Span 65) at the air/water interface 空气空气//水界面的流变曲线测试水界面的流变曲线测试 PhysicaPhysica Rheometer Rheometer ::: Intelligence in ::: Intelligence in RheometryRheometry www.anton-paar.com 空气空气//水界面的流变曲线测试水界面的流变曲线测试 Sorbitan tristearate (Span 65) at the air/water interface in different concentrations PhysicaPhysica Rheometer Rheometer ::: Intelligence in ::: Intelligence in RheometryRheometry www.anton-paar.com Sorbitan tristearate (Span 65) at the oil/water interface 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 0.001 0.01 0.1 1 10 100 Shear Rate [s -1] I n t e r f a c i a l S h e a r V i s c o s i t y [ m P a · s · m ] pure air/water interface Span 65 at oil/water interface 油油//水界面的流变曲线测试水界面的流变曲线测试 PhysicaPhysica Rheometer Rheometer ::: Intelligence in ::: Intelligence in RheometryRheometry www.anton-paar.com Æ因为分子非常大,所以蛋白分子从溶液扩散到表面上的速度很慢. Æ蛋白分子在表面上形成网状结构,但这也个耗费时间的过程. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0 5 10 15 20 Time [h] I n t e r f a c i a l V i s c o s i t y [ P a * m * s ] Timetest Ovalbumin: Concentration 100 mg/L 水水//油界面上蛋白膜的形成过程油界面上蛋白膜的形成过程 PhysicaPhysica Rheometer Rheometer ::: Intelligence in ::: Intelligence in RheometryRheometry www.anton-paar.com 蠕变和恢复测试蠕变和恢复测试 空白水表面 油水界面上老化的蛋白膜 constant torques: 0.5 µNm PhysicaPhysica Rheometer Rheometer ::: Intelligence in ::: Intelligence in RheometryRheometry www.anton-paar.com 水/油界面上的蛋 白膜(卵清蛋白) 0.1 1 10 100 1000 0.1 1 10 100 Strain amplitude [%] S t o r a g e G ´ / L o s s m o d u l u s G ` ` [ m P a ] G´´ pure oil/water interface G´ Ovalbumin (egg protein) at protein solution/oil interface G´´ Ovalbumin (egg protein) at protein solution/oil interface 蛋白质的界面薄膜如此坚固是因为氨基通过交叉耦合在界面上形成了坚固的网 状结构. 在蛋白膜上的振幅扫描在蛋白膜上的振幅扫描 PhysicaPhysica Rheometer Rheometer ::: Intelligence in ::: Intelligence in RheometryRheometry www.anton-paar.com Sorbitan tristearate (Span 65) at the air/water interface 振荡测试振荡测试 良好的重复性 应变振幅： γ0 = 0.02 high conc. low conc. PhysicaPhysica Rheometer Rheometer ::: Intelligence in ::: Intelligence in RheometryRheometry www.anton-paar.com Competitive adsorption of SDS (sodium dodecyl sulfat) into a film of ovalbumin (solution concentr. 100 mg/l) at the air/solution interface 振荡测试振荡测试成膜过程成膜过程 PhysicaPhysica Rheometer Rheometer ::: Intelligence in ::: Intelligence in RheometryRheometry www.anton-paar.com IRSIRS性能性能 Physica界面流变系MCR301+IRS 扭矩范围 振幅范围 0.1 μrad -∞ 频率范围 10-5 – 100 Hz 模 式 既有振荡模式， 又有旋转模式 测量系统 Bi-Cone双锥面系统，表面接触面积大，更加灵敏，精度更高。 功 能 既能进行界面流变性能的测试，同时又具备体相流变仪的所有功能。 可以进行时间扫描，应变或应力、振幅、频率和温度扫描以及用户自行设计的程 序。 可测量界面粘性模量、弹性模量、动态界面剪切粘度、界面剪切复合模量、界面 剪切复合粘度，以及tanδ、相角和角频率等。 0.02μNm –200 mNm PhysicaPhysica Rheometer Rheometer ::: Intelligence in ::: Intelligence in RheometryRheometry www.anton-paar.com PhysicaPhysica界面流变系统的部分用户界面流变系统的部分用户 ƒColgate Palmolive Technology Piscataway(NJ), USA ƒETH, ILW-LMVT(Food Science), Zuerich, Switzerland ƒ Indian Institute of Science, Physics, Bangalore, India ƒ INHA University, Inchon, Korea ƒKao Corporation, Tochigi, Japan ƒPetrobas, Cenpes llha do Fundao, Rio de Janeiro, Brazil ƒUnilever Research Vlaardingen, Netherlands ƒUniversidad Autonoma Metroplitana(UAM), Itzapalapa, Mexico ƒApplication Field: Surfactant, Petrochemicals, Printing inks, Crude oil, Food, Polymers, Personal care, Cosmetics etc. 成膜过程 IRS性能 Physica界面流变系统的部分用户