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Fluidicam與機(jī)械流變數(shù)據(jù)的流變模型擬合
介紹
復(fù)雜流體，是由無數(shù)個(gè)微小的微觀體系共同組成的一個(gè)宏觀體系。在液體流動過程中，可能存在的復(fù)雜流體的流場，導(dǎo)致非牛頓的行為。例如，聚合物溶液在剪切流中，溶解的聚合物分子的拉伸誘導(dǎo)了的流體粘度的減少（和高剪切速率下的剪切變稀行為）。因此，樣品在不同的流速下具有不同的響應(yīng)特性，所以研究人員需要完整的流變曲線的來反映樣品粘度隨所施加的剪切速率的變化行為，這些特殊行為決定著材料的加工性能和使用性能。普通的機(jī)械流變儀由于高速剪切產(chǎn)生湍流限制了流變性的測量，微流控可視流變儀突破了原有的測試?yán)碚?，將流變測試變得更加簡單和精確。本應(yīng)用將機(jī)械流變數(shù)據(jù)和Fluidicam微流控可視流變儀的測試數(shù)據(jù)對比結(jié)合，并進(jìn)行了流變模型擬合。
樣品
溶液由3%乳清蛋白分離物(Pronativa 95 from Lactalis France)和0.4%黃原膠(Ketrola AP from Kelco)混合而成。
儀器
溶液在低剪切速率(0.1-1000s-1)下的流變特性是通過機(jī)械流變儀(AR1000 TA儀器)進(jìn)行的，采用錐板幾何形狀(直徑40毫米，錐角4°)。在AR1000流變儀可用的最大剪切速率下，黃原膠溶液尚未達(dá)到第二個(gè)牛頓平臺。故采用FLUIDICAM微流控可視流變儀測量高剪切速率域[103-105]s-1的流變特性 (FLUIDICAM RHEO, Formulaction Toulouse, FRANCE)，兩組數(shù)據(jù)均繪制在Fig.1中，擬合參數(shù)如表1所示。
結(jié)果
Carreau-Yasuda方程
為了表達(dá)溶液的粘性流動響應(yīng)，需要定義一些參數(shù)，本文應(yīng)用Carreau-Yasuda流變方程進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如下：
μ1是牛頓平臺區(qū)粘度（零剪切粘度）；μ2是第二牛頓平臺區(qū)粘度（剪切速率非常大時(shí)聚合物剪切變稀達(dá)到的另一個(gè)平衡粘度）；a為控制從零剪切牛頓平臺到剪切變稀指數(shù)區(qū)域的粘度轉(zhuǎn)變速度的常數(shù)（a＜1時(shí)，轉(zhuǎn)變區(qū)域擴(kuò)大）；λ時(shí)松弛時(shí)間（指材料受力變形，外力解除后恢復(fù)正常狀態(tài)所需的時(shí)間），m為流型指數(shù)（m越小，非牛頓流體越顯著；m=1，流體呈牛頓行為）。
參考文獻(xiàn)
J. Sepulveda, A. Montillet, D. Della Valle, C. Loisel, A. Riaublanc, Deformation of gas-liquid interfaces in a non-Newtonian fluid at high throughputs inside a microfluidic device and effect of an expansion on bubble breakup mechanisms, Chemical Engineering Science (2019)