【摘 要】
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本文搭建了基于倒置显微平台的被动微流变实验系统。选择粒径为0.49μm的荧光微球为探针颗粒,以连续激光器(功率为1.5W,波长为532nm)为光源,用电子倍增EMCCD相机进行图像采集,采用单颗粒追踪技术,在测量探针颗粒布朗运动基础上,分别开展了聚氧化乙烯(PEO)溶液在自由与受限空间的被动微流变实验研究。首先,针对常温(20℃)条件下纯水中探针颗粒布朗运动进行了测量,以验证实验系统和测量方法的可
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本文搭建了基于倒置显微平台的被动微流变实验系统。选择粒径为0.49μm的荧光微球为探针颗粒,以连续激光器(功率为1.5W,波长为532nm)为光源,用电子倍增EMCCD相机进行图像采集,采用单颗粒追踪技术,在测量探针颗粒布朗运动基础上,分别开展了聚氧化乙烯(PEO)溶液在自由与受限空间的被动微流变实验研究。首先,针对常温(20℃)条件下纯水中探针颗粒布朗运动进行了测量,以验证实验系统和测量方法的可靠性。实验时,连续采集500帧探针颗粒的布朗运动图像,利用颗粒追踪软件追踪了颗粒布朗运动轨迹,获得了探针颗粒的均方位移,与时间呈现良好的线性关系。计算颗粒扩散系数实验值为0.8813μm2s-1,与基于Stokes-Einstein关系(SER)得到的扩散系数理论值(0.8527μm2s-1)相对偏差为3.24%,表明本文搭建的实验系统和颗粒布朗运动测量方法具有较高的测量精度和可靠性,为后续开展PEO溶液的被动微流变实验奠定了重要基础。接下来,开展了PEO溶液在自由空间的被动微流变实验研究。分别测量了质量浓度为0.4wt%、0.6wt%、0.8wt%和1.0wt%的PEO溶液在25℃、35℃、45℃等不同温度条件下的微观流变特性。在追踪探针颗粒布朗运动轨迹的基础上,计算颗粒在不同浓度和温度条件下PEO溶液中的均方位移,利用广义StokesEinstein关系(GSER)及傅里叶变换,获得了不同工况下PEO溶液粘弹性模量的频域分布。研究结果表明,随着被测溶液浓度增加,探针颗粒布朗运动受限趋势增大,随着温度的升高,布朗运动速度增大。以浓度1.0wt%PEO溶液为例,25℃时探针颗粒的均方位移仅为2.17μm2,为所有工况下的最小值,表明该工况下颗粒运动受PEO链状分子形成的网络结构限制程度最高;当温度升高至45℃时,探针颗粒的均方位移则高达21.23μm2,布朗运动显著增强。粘弹性模量计算结果表明,在现有浓度条件下,粘性模量G"(ω)占主导而弹性模量G’(ω)总体表现较弱,两者随频率的增加呈现递增规律,而随温度的升高呈减小趋势,且弹性模量减小速率大于粘性模量减小速率。仍以浓度1.0wt%PEO溶液为例,25℃的溶液粘性模量最大平均值为0.5499Pa,弹性模量的最大平均值为0.1582Pa,此时粘性模量虽占主导,但弹性模量值与粘性模量值处于同一量级,溶液微观弹性特征开始显著;而当温度升高至45℃时,其粘性模量和弹性模量的最大平均值分别降低至0.3055Pa和0.0746Pa,微观弹性模量明显减弱。均方位移标准差分析表明,相同浓度下测量误差随颗粒追踪时长的增加而增加,随温度的升高亦呈现增大趋势。最后,开展了聚氧化乙烯溶液在多孔介质受限空间的被动微流变实验研究。选择三种不同孔径的定量滤纸作为多孔介质材料,基于单颗粒追踪技术分别对质量浓度为0.4wt%和0.6wt%PEO溶液在滤纸多孔介质中的微观流变特性进行了实验测量。通过追踪探针颗粒布朗运动轨迹,获得滤纸多孔介质下颗粒在PEO溶液的均方位移与反常扩散规律,研究了其微观粘弹特性。实验结果表明:探针颗粒在受限空间中的运动具有明显的方向性,且方向性随滤纸孔径减小而减弱;滤纸实验中的颗粒布朗扩散的幂指数为0<α<1,呈现类似于超扩散行为的反常扩散特征。粘弹性模量计算结果表明,受限空间内PEO溶液仍以粘性模量为主导;相同浓度下,PEO溶液的微观弹性模量G’(ω)随孔径的减小而增大,而孔径对其粘性模量G"(ω)数值影响较微弱。以0.6wt%PEO溶液为例,在快、中、慢速孔径滤纸实验中的弹性模量最大平均值分别为0.0272Pa、0.0821Pa和0.1567Pa,呈现明显的递增趋势,而其粘性模量的最大平均值分别为0.2976Pa、0.2694Pa和0.2989Pa,无明确规律。此外,与自由空间结果对比发现,纸纤维的存在增强了PEO溶液的局部微观弹性,但对粘性模量无明显影响。
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