[科普中國(guó)]-表面黏度計(jì)

自從人們觀察到兩流體間的界面會(huì)表現(xiàn)出與其主體液相不同的流變性質(zhì)以來(lái)，界面流變性質(zhì)的理論和實(shí)驗(yàn)研究已成為廣受關(guān)注的課題。

現(xiàn)代界面黏度計(jì)主要采用兩類(lèi)方法測(cè)定界面剪切黏度：(1)分析界面速度分布(間接法)；(2)測(cè)定界面剪切應(yīng)力的大小(直接法)。

簡(jiǎn)介現(xiàn)代界面黏度計(jì)主要采用兩類(lèi)方法測(cè)定界面剪切黏度:(1)分析界面速度分布(間接法);(2)測(cè)定界面剪切應(yīng)力的大小(直接法)。間接法主要包括:①經(jīng)典的溝渠表面黏度計(jì);②深槽表面黏度計(jì);③旋壁刀表面黏度計(jì)等。這一類(lèi)表面黏度計(jì)的靈敏度比較高，一般都能達(dá)到。直接法主要包括:①單刀、鈍刀、雙刀等刀刃型表面黏度計(jì);②轉(zhuǎn)盤(pán)表面黏度計(jì);③扭擺表面黏度計(jì);④圓盤(pán)表面黏度計(jì)等。它們有一個(gè)共同的優(yōu)點(diǎn)，就是不必使用示蹤粒子來(lái)確定界面速度分布。下面對(duì)幾種主要的表面黏度計(jì)分別加以敘述。1

間接法(分析界面速度分布)1、溝渠表面黏度計(jì)

Sacchetti等人提出的溝渠界面黏度計(jì)。用聚四氟乙烯代替玻璃做渠壁材料，實(shí)驗(yàn)取得了較好的再現(xiàn)性。測(cè)定不同條件下硬脂酸和聚乙烯醋酸脂單分子層的剪切黏度。最近Kurnaz和Schwartz提出一種類(lèi)似的溝渠表面黏度計(jì)，但改用布魯斯特角顯微鏡直接觀察溝渠中的表面速度分布。

2、深槽表面黏度計(jì)

這種裝置不僅適用于氣液系統(tǒng)μs的測(cè)定，也適用于氣液系統(tǒng)。深槽表面黏度計(jì)，不僅具有較高的靈敏度，且理論分析確切，實(shí)驗(yàn)技術(shù)也比較簡(jiǎn)單，是應(yīng)用最廣泛的一種表面黏度計(jì)，其主要缺點(diǎn)是需要在界面上放置一個(gè)小粒子以觀察界面速度。

3、旋壁刀表面黏度計(jì)

由Goodrich等人提出的旋壁刀表面黏度計(jì)，不僅克服了刀刃型表面黏度計(jì)刀刃放置的困難，而且可獲得高靈敏度，是最靈敏的表面黏度計(jì)之一。這種表面黏度計(jì)特別適用于中低界面黏度的測(cè)定，刀刃越鋒利，靈敏度越高。Goodrich等人先后對(duì)硬脂酸單分子層和SDS(十二烷基硫酸鈉)溶液系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)定。1

直接法1、扭矩型表面黏度計(jì)

（1）轉(zhuǎn)盤(pán)表面黏度計(jì)

該裝置適用于中高表面黏度的測(cè)定，其優(yōu)點(diǎn)是不需使用示蹤粒子，但其靈敏度不高。這種轉(zhuǎn)盤(pán)界面黏度計(jì)也適用于液液系統(tǒng)，Oh和Slattery給出了理論分析的結(jié)果。他們還提出了一種衍生的轉(zhuǎn)盤(pán)表面黏度計(jì)———雙圓錐界面黏度計(jì)，即以雙圓錐體替代圓盤(pán)，理論分析與轉(zhuǎn)盤(pán)表面黏度計(jì)非常相似，靈敏度也不高。

（2）刀刃型表面黏度

Brown等人首先提出了經(jīng)典的刀刃型表面黏度計(jì)———單刀表面黏度計(jì)，其后Davies(1957)，Lifshutz等人(1971)提出雙刀表面黏度計(jì)，后來(lái)Goodrich等人提出鈍刀表面黏度計(jì)。這些表面黏度計(jì)的測(cè)量原理基本相同，具有中等或較低的靈敏度(與轉(zhuǎn)盤(pán)表面黏度計(jì)相當(dāng))。

有一類(lèi)衍生的扭矩型表面黏度計(jì)，被稱(chēng)為扭擺表面黏度計(jì)。用扭絲懸掛著的轉(zhuǎn)盤(pán)或刀環(huán)靜止于界面上，突然給它一個(gè)瞬間扭矩，轉(zhuǎn)盤(pán)就開(kāi)始進(jìn)行阻尼擺動(dòng)，通過(guò)測(cè)定扭擺的阻尼因子和擺動(dòng)頻率，也可以推算出μs。這類(lèi)表面黏度計(jì)被認(rèn)為具有較高的靈敏度、較好的再現(xiàn)性和精確度。還有一種類(lèi)似的扭擺界面黏度計(jì)，讓裝溶液的底盤(pán)進(jìn)行小振幅正弦擺，測(cè)量底盤(pán)與界面上薄圓盤(pán)的振幅比和相角比，從而推算出μs。還有一種測(cè)量Langmuir單分子層的二維Couette黏度計(jì)，與經(jīng)典的轉(zhuǎn)盤(pán)表面黏度計(jì)有些相似。由刀刃盤(pán)維持靜止時(shí)扭絲所受扭矩即可算出μs。該裝置不僅實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)便，且靈敏度范圍較廣。

2、圓盤(pán)表面黏度計(jì)

最近，Barentin等人提出了一種圓盤(pán)表面黏度計(jì)。該表面黏度計(jì)適合Gibbs單分子層的剪切黏度的測(cè)定。該裝置的主要優(yōu)點(diǎn)是幾何模型簡(jiǎn)單，并能得到解析解。但它不能用于Langmuir單分子層黏度的測(cè)定;另一個(gè)缺點(diǎn)是，每次實(shí)驗(yàn)都必須對(duì)玻璃絲的撓度系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，且有一定的難度。

Gaub和McConnell也提出一種磁圓盤(pán)表面黏度計(jì)，一個(gè)裝有小磁鐵的玻璃薄圓盤(pán)浮在液體表面上，圓盤(pán)在外加磁場(chǎng)的作用下旋轉(zhuǎn)，通過(guò)測(cè)其粘性阻力，推算出μs。1

其它種類(lèi)1、磁針表面黏度計(jì)

磁針表面黏度計(jì)由Shahin(1986)首先提出，最近又經(jīng)過(guò)Brooks等人修正，適用于Langmuir單分子層剪切黏度的測(cè)定，是一種比較新穎的表面黏度計(jì)。與其它表面黏度計(jì)相比有很多優(yōu)點(diǎn):(1)不需改變儀器的元件就可任意地改變施加的外力;(2)從磁針的位置就可以測(cè)定應(yīng)變速率，不需使用示蹤粒子;(3)對(duì)表面應(yīng)力具有很高的靈敏度;(4)不改變流動(dòng)器的幾何模型就可方便地改變表面壓和溫度。

可通過(guò)選擇合適尺寸的磁針、減小溝渠的寬度、增加溝渠的深度來(lái)提高其靈敏度。這種裝置的實(shí)驗(yàn)技術(shù)還不十分成熟，有待提高。

2、小球表面黏度計(jì)

Petkov等人在前人的基礎(chǔ)上提出一種小球表面黏度計(jì)。一個(gè)球形小顆粒浮在界面上，在外加毛細(xì)力的作用下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)測(cè)定小球的阻力系數(shù)可推算出μs。這種方法與著名的用于測(cè)定主體相剪切黏度的Stokes法相似。

這種表面黏度計(jì)運(yùn)用的毛細(xì)引力也可用其它方法獲得。該實(shí)驗(yàn)裝置和操作都比較簡(jiǎn)單，不用示蹤粒子。缺點(diǎn)是其動(dòng)力學(xué)方程的求解需進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，且在某些實(shí)驗(yàn)條件下，小球的存在可能會(huì)對(duì)粘質(zhì)層(lipid layer)產(chǎn)生擾動(dòng)，從而影響μs測(cè)量的準(zhǔn)確性。

Krieg等人(1981)提出一種測(cè)量氣液系統(tǒng)μs的方法，后來(lái)Cambridge等人又將它推廣到液液系統(tǒng)。一裝有兩液相的容器緩慢旋轉(zhuǎn)，容器突然停止轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)觀察界面上的示蹤粒子，測(cè)量界面的變形。由示蹤粒子掃過(guò)的角度與μs、μ、密度、容器的大小等的關(guān)聯(lián)式可以算得μs。

Sohl等人使用高壓電場(chǎng)在表面產(chǎn)生毛細(xì)波，測(cè)定其表面波的波數(shù)和阻尼常數(shù)，可推算出μs和表面張力。該裝置最大的缺點(diǎn)(也是其優(yōu)點(diǎn))是對(duì)表面振動(dòng)過(guò)于敏感。Benjamins等人用雙環(huán)表面黏度計(jì)測(cè)定蛋白質(zhì)吸附層的μs。兩個(gè)同心玻璃環(huán)平放在界面上，外環(huán)繞中心軸以一小振幅擺動(dòng)，內(nèi)環(huán)靜止，內(nèi)環(huán)與扭矩測(cè)量裝置相聯(lián)。由內(nèi)環(huán)受到的最大扭矩、外環(huán)最大振幅、兩環(huán)半徑、及扭矩與外環(huán)擺動(dòng)的相角差，經(jīng)計(jì)算可得μs。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王寧 - 副教授 - 西南大學(xué)