界面流变仪

界面流变学的背景
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 divσ vσ = 0 div v1 = 0 div⋅ v 2 = 0 Jump Momentum Balance across the interface τ 1⋅n1 + τ 2 ⋅n2 + divσ τ σ = 0 Surface Stress Tensor Boussinesq (1913), Scriven (1960)
1
0.1 0.1 1 10 100
Strain amplitude [%]
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.
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振荡测试
Sorbitan tristearate (Span 65) at the air/water interface
Interfacial Shear Viscosity [mPa·s·m]
10
1
0.1
pure air/water interface Span 65 Span 65 (24 hrs. later)
0.01
0.001 0.001
0.01
0.1
1
10
100
Shear Rate [s-1]
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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. 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.
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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
• 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)
- a-乳白蛋白
ß
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空气/水界面的流变曲线测试
Sorbitan tristearate (Span 65) at the air/water interface
1000
100
~~~~~~~~
Liq uid 2 Liq uid 2
Air
~~~~~~~~
z = H2 z = H1 z=0 R
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
Liq uid 1 R2
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空气/水界面的流变曲线测试
Sorbitan tristearate (Span 65) at the air/water interface in different concentrations
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油/水界面的流变曲线测试
Sorbitan tristearate (Span 65) at the oil/water interface
1000 100 10 1 0.1 0.01 0.001 0.001
pure air/water interface Span 65 at oil/water interface
液滴的变形 液滴的合并
微胶囊化
乳液的稳定性和流变性
Physica Rheometer
Fra Baidu bibliotek
界面的传递作用 (例如: 药物从微 胶囊中的释放过程)
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界面流变学的背景
界面剪切应力 τσ 截面剪切粘度 ησ [ησ] = Pa·s·m = N·s/m 或表面泊 surface poise τσ = ησ • γ „Ability of a liquid interface to transport momentum in shear deformation within its own plane “
界面位置的确定
利用法向应力确定转子的位置 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.
Sci. 67(3): 516-525)
Physica Rheometer
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仪器和方法 • 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
Interfacial Shear Viscosity [mPa·s·m]
0.01
0.1
1
10
100
Shear Rate [s -1]
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水/油界面上蛋白膜的形成过程
0.8 0.7 Interfacial Viscosity [Pa*m*s] 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 5 10 Time [h] 15 20 Timetest Ovalbumin: Concentration 100 mg/L
Physica 界面流变系统 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
Physica Rheometer
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界面流变学的背景
界面流变学的应用领域:
乳液的加工 处理
BAM
食品原料和消费产品 的微观结构
τ σ =[γ + (εσ − ησ ) divσ v σ ]P + 2ησ Dσ
Dσ εσ ησ ni τσ divσ vσ
Interfacial rate of deformation tensor Interfacial dilatational viscosity 界面扩张粘度 Interfacial shear viscosity 界面剪切粘度 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 Interfacial divergence operator 界面分歧算子 Interfacial velocity vector 界面速度向量 Projection tensor
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怎样形成薄膜或单层膜
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
τi
P
Physica Rheometer
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界面流变学的背景
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 Analysis of the flow field for the BiConical Disk Rheometer for taking care of contributions from liquid 1 and liquid 2: (Oh & Slattery (1978) J.Colloid Interface
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在蛋白膜上的振幅扫描
1000
Storage G´/Loss modulus G`` [mPa]
100
水/油界面上的蛋 白膜(卵清蛋白)
10
G´´ pure oil/water interface G´ Ovalbumin (egg protein) at protein solution/oil interface G´´ Ovalbumin (egg protein) at protein solution/oil interface
air
Interface 表面速率 梯度 Bulk liquid
Boussinesq Number Bo =
water oil water
Physica Rheometer
InterfaceDrag ησ = SubphaseDrag ηbulk ⋅ R
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应变振幅： γ0 = 0.02 high conc. low conc.
良好的重复性
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测试实例－瑞士联邦工学院Philipp Erni教授
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): Lactalbumin (20%), IgG (10%), BSA (8%) - ß -乳球蛋白 Lactoglobulin (>40%)
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实验装置
MCR 300 Rheometer + Interfacial Rheology System (IRS)
H1 = 22,5 mm H2 = 45 mm R = 40 mm R2 = 34,14 mm 2 α = 10°