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动态薄膜干涉仪

时间:[2018-12-25]  来源:

设计生产单位:Fuller Laboratories,Stanford

(1)仪器简介

动态流体膜干涉仪(Interfacial Drainage Dilatational and Stability Stage, IDDiaSS)通过可控过程把一定体积的液滴或者气泡移动到两相界面,利用高精度压力传感器测量施加在界面上的机械应力,通过颜色干涉法记录两个界面之间的流体运动的动力学过程,并利用高速照相机记录液滴或气泡压向“界面”过程中的形变全过程。该设备可用于研究大分子膜与液体之间的相互作用与其影响因素,特别是检验大分子膜在液体表面的粘弹模量、微纳尺度液体膜的厚度、液体在表面的流动特性等。

(2)工作原理

动态流体膜干涉仪(IDDiaSS)主要由一个腔体和一个半自动注射器组成。注射器产生并维持一个小液滴或气泡,直到其移动到两相界面附近(简称“界面”)。气泡或液滴与周围液体形成的界面称之为“第二界面”。这两个界面的相对位置由计算机驱动的可移动平台控制。通过移动平台使“界面”接近气泡或液滴界面。伴随间隙薄膜液体从液滴或者气泡不断流失,其厚度达到一个临界点,形成颜色相干的条纹。该条纹被竖直安装的彩色相机所记录,如图1所示。通过软件解析图案,可建立薄膜厚度与空间和时间的函数映射关系。

随着液滴或气泡向“界面”移动,两个界面随之变形,液滴或气泡内的压力增加。当液滴距离“界面”很远时,液滴或气泡内部的压力只有拉普拉斯压力(Laplace pressure):∆P=2τ /R,其中 τ 是液滴或气泡表面的界面应力,R为液滴半径。在液滴或气泡的界面缺乏表面活性物质或者这些活性物质在界面移动度较高时,τ仅为表面张力。如果这些物质存在表面浓度梯度,将引入马兰戈尼应力(Marangoni stress)。对于现有的去乳剂而言,因其复杂的界面活性,τ为一个能够反映界面流变性能的机械表面应力张量。

图1 用来研究水滴对油/水界面聚结动力学行为的IDDiaSS设备示意图

(3)技术参数

1)微流泵(Pump 11 Pico Plus Elite, Harvard Apparatus)

  • 注射体积范围:0.5 μl—10 ml

  • 流速范围:0.54 pl/min—11.70 ml/min

  • 蠕动步分辨率:0.031 μm/μstep

  • 蠕动步速率:27.5 sec/μstep—26 μsec/μstep

2)压力传感器(PX409-10WGUSBH)

  • 范围:5PSI—5000PSI

  • 重复精度:±0.08BSL

  • 丝直径分辨率:10 μm

  • 系统响应时间:≤10 ms

  • 小样品量:<1 ml

  • 时间分辨率:0.2 ms

  • 膜厚度可测量最低值:<50 nm

  • 液滴/气泡接触速度范围:0.10 mm/s—2 mm/s

  • 液滴/气泡体积流量范围:0.54 pl/min—11.70 ml/min

3)双相机摄像功能(IDS)

  • 顶部摄像机分辨率:1936×1456像素,130万像素

  • 最短曝光时间2 ms

  • 侧向摄像机分辨率:1936×1216像素

  • 灰度值:8-bit dynamic range/24bit 彩色

4)附带视频分析软件(Color Analyzer Software)

  • 具备对应力、膜厚等参数的直接测量

  • 数据可输出至ASCII文件

5)可自行设计样品腔体

6)可自行设计样品腔体和照相机的相对位置来满足不同的研究目的

(4)应用领域

1)用于检验大分子膜在液体表面的粘弹模量、微纳尺度液体膜的厚度、液体在表面的流动特性等;

2)用于检验聚合物溶液、悬浮液、熔体、粘合剂、乳液等材料;

3)用于研究大分子膜与液体之间的相互作用与其影响因素。

(5)参考文献

[1] Suja VC, Kar A, Cates W, Remmert SM, Savage PD, and Fuller GG, Evaporation-induced foam stabilization in lubricating oils, PNAS (2018) in press.

[2] Bochner de Araujo S, Merola M, Vlassopoulos D, Fuller GG, Droplet coalescence and spontaneous emulsification in the presence of asphaltene adsorption, Langmuir, 33 (2017) 10501.

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