【摘要】：懸浮液流變學(xué)研究中對平衡態(tài)的球狀粒子填充懸浮液體系研究較多,全面表征、探討片狀粒子填充懸浮液的非平衡態(tài)結(jié)構(gòu)變化及影響因素的報(bào)導(dǎo)較少。人造水輝石分散液是典型的片狀粒子填充牛頓流體懸浮液,氧化石墨烯/聚乙二醇(GO/PEG)分散液是典型的片狀粒子填充粘彈性流體懸浮液,本研究的主要工作為對兩者的老化過程進(jìn)行流變學(xué)研究,討論懸浮液結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)發(fā)展的影響因素與規(guī)律,明確懸浮液動(dòng)態(tài)變化對流變性質(zhì)的影響。本研究的主要內(nèi)容和結(jié)果如下:1、對不同濃度的人造水輝石分散液(CL=2.6、2.8、3.0、3.2、3.5 wt%)的老化過程使用多頻疊加振蕩時(shí)間掃描技術(shù)進(jìn)行跟蹤,討論不同老化條件(時(shí)間、溫度)對人造水輝石分散液老化程度的影響。發(fā)現(xiàn)通過預(yù)剪切(速率γ=3000 s-1、時(shí)間t=100 s)可以將經(jīng)歷10次以內(nèi)“老化-復(fù)原再生”循環(huán)的老化的人造水輝石分散液“復(fù)原再生”至基本一致的流變測試起始狀態(tài)。處于非平衡態(tài)的老化過程中的人造水輝石分散液分別符合時(shí)間-老化時(shí)間疊加、時(shí)間-溫度疊加以及時(shí)間-老化時(shí)間-溫度疊加,證明了人造水輝石分散液的老化路徑具有動(dòng)態(tài)普適性。使用人造水輝石分散液時(shí)間-老化時(shí)間-溫度疊加的總頻率譜曲線得到人造水輝石分散液的松弛譜,發(fā)現(xiàn)人造水輝石松弛譜符合Dannert提出的統(tǒng)一凝膠體系與玻璃體系的膠體體系冪律分布松弛譜,其冪指數(shù)n隨人造水輝石濃度的增大發(fā)生了由負(fù)到正的轉(zhuǎn)變,從流變學(xué)角度區(qū)分人造水輝石分散液隨濃度增大由凝膠到玻璃的變化。2、采用自研改進(jìn)的Hummer’s法制備GO,使用紅外、XPS、TG等方法對得到的GO進(jìn)行表征,證明成功制備了GO。測試GO水分散液粘度,定性證實(shí)GO具有大長徑比片狀結(jié)構(gòu),使用AFM測得GO的長徑比約為1500。使用該大長徑比GO制備不同GO填充濃度的5 wt%PEG分散液,發(fā)現(xiàn)GO填充濃度在0.01 mg/mL至0.2 mg/mL范圍內(nèi)時(shí),GO/PEG分散液粘度有異常降低現(xiàn)象,推測該現(xiàn)象可能是由于添加適量GO后,GO破壞PEG與水分子間的氫鍵數(shù)大于新增的GO與水分子間的氫鍵數(shù)從而導(dǎo)致GO/PEG分散液粘度下降。對GO/PEG分散液的老化過程使用穩(wěn)態(tài)剪切、SAOS方法進(jìn)行流變表征,發(fā)現(xiàn)GO/PEG分散液的粘度會(huì)隨老化在低γ范圍增大,不再出現(xiàn)粘度平臺(tái);GO填充濃度為5 mg/mL的G5P5老化后會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)額外第一法向應(yīng)力差。推測認(rèn)為老化會(huì)使GO/PEG分散液的GO發(fā)生解取向,剪切使老化解取向的GO重新取向,該重新取向的過程就導(dǎo)致了額外第一法向應(yīng)力差的出現(xiàn)。老化溫度是決定GO片解取向速率的核心因素,老化時(shí)間決定GO解取向的累積效果。對于相同老化程度的G5P5,在剪切重新取向的過程中,長時(shí)間低γ剪切與短時(shí)間高γ剪切對GO重取向的效果相同。3、對老化7天的5 wt%PEG溶液(P5)、預(yù)剪切處理的5 wt%PEG溶液(P5_preshear)、5 mg/ml GO 5 wt%PEG分散液(G5P5)、預(yù)剪切處理的5 mg/ml GO 5 wt%PEG分散液(G5P5_preshear)采用控制剪切速率幅值的方法分別進(jìn)行LAOS測試,表征其非線性粘彈性。發(fā)現(xiàn)四個(gè)樣品的非線性粘彈性在頻率相同時(shí)均隨剪切速率幅值增大而增大;P5_preshear、G5P5不同頻率的剪切應(yīng)力三次諧波相對幅值I3/1、第一法向應(yīng)力差N_1的直流分量DC、第一法向應(yīng)力差N_1的基頻分量I2在0γ增大到一定程度后分別各自落入一條主曲線,0γ取代0γ成為控制樣品非線性的決定因素。G5P5各項(xiàng)非線性參數(shù)(G0’、I3/1、δ、N_1_DC、N_1_I2、δN_1及Lissajous曲線)均明顯不同于P5、P5_preshear、G5P5_preshear,并且在LAOS測試中也出現(xiàn)額外第一法向應(yīng)力差,說明解取向的GO使G5P5表現(xiàn)出更強(qiáng)的非線性。并且還發(fā)現(xiàn)G5P5額外增強(qiáng)的各項(xiàng)非線性參數(shù)隨0γ增大逐漸減小至與G5P5_preshear接近,證實(shí)LAOS剪切也可以將解取向的GO片重新取向。不同的LAOS參數(shù)中,δN_1(Lissajous曲線的“開口”方向)對GO取向/解取向最敏感,而Ne可以將P5、P5_preshear、G5P5、G5P5_preshear四個(gè)樣品區(qū)別開。
【圖文】：

熱運(yùn)動(dòng)是膠體體系受到擾動(dòng)（形變）平衡結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化后促使膠體恢復(fù)平衡力，這一恢復(fù)過程的時(shí)間尺度就是衡量形變速率“快慢”的標(biāo)準(zhǔn)。在流場中受到液體介質(zhì)的作用力為靜水壓力，也稱為斯托克斯拖曳力（Stokes drag）表 1-1 膠體粒子熱運(yùn)動(dòng)特征應(yīng)力與粒子半徑關(guān)系Figure 1-1 Characteristic stress for spherical particles of a given radius粒子半徑 (m) 粒子表面積（m2/g） 熱運(yùn)動(dòng)特征應(yīng)力（10-91.50×1034.10×10610-81.50×1024.10×10310-71.50×1014.10×10010-61.50×1004.10×10-3

與受力流動(dòng)前的位置無關(guān)。需要指出的是，粘彈性流體并不僅僅是固體與液體的簡單疊加，不單是粘彈性流體受外力作用后既有彈性形變，又有粘性流動(dòng)，，外力撤去彈性形變可以恢復(fù)，粘性流動(dòng)則造成永遠(yuǎn)形變，更重要的是粘彈性流體受外力作用后的應(yīng)力與應(yīng)變（應(yīng)變速率）之間的響應(yīng)不再是瞬時(shí)響應(yīng)，即應(yīng)變（應(yīng)變速率）不再是決定粘彈性流體的彈性力學(xué)響應(yīng)（粘性力學(xué)響應(yīng)）的唯一因素。粘彈性流體特有的力學(xué)松弛行為造成了其以往應(yīng)變對現(xiàn)時(shí)狀態(tài)的應(yīng)力仍產(chǎn)生影響，也即粘彈性流體具有對形變的“記憶”能力，并且距現(xiàn)時(shí)時(shí)刻“新近”的形變遠(yuǎn)比“遙遠(yuǎn)”的形變對粘彈性流體現(xiàn)時(shí)力學(xué)響應(yīng)的影響高的多，粘彈性流體的“記憶”能力隨時(shí)間演變有“衰減”效應(yīng)。實(shí)際流變測試中，粘彈性流體受到剪切往往表現(xiàn)出如圖 1-2 所示的粘度與法向應(yīng)力行為，粘度隨剪切速率增大出現(xiàn)剪切變稀現(xiàn)象，第一法向應(yīng)力差 N1為正值，隨剪切速率增大而迅速增大，第二法向應(yīng)力差 N2為負(fù)值，隨剪切速率增大其絕對值逐漸增大，但遠(yuǎn)小于 N1。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ177

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本文編號(hào)：2566577