Межфазная реология
Изучение течения вещества на границах раздела

Межфазная реология — это раздел реологии , изучающий течение вещества на границе раздела между газом и жидкостью или на границе раздела между двумя несмешивающимися жидкостями. Измерение проводится при наличии поверхностно-активных веществ, наночастиц или других поверхностно-активных соединений на границе раздела. В отличие от объемной реологии, деформация объемной фазы не представляет интереса в межфазной реологии, и ее влияние стремятся свести к минимуму. Вместо этого интерес представляет течение поверхностно-активных соединений.

Деформация интерфейса может быть выполнена либо путем изменения размера, либо формы интерфейса. Поэтому методы реологии интерфейса можно разделить на две категории: методы дилатационной и сдвиговой реологии.

Межфазная дилатационная реология

Метод пульсирующей капли для дилатационной межфазной реологии

В дилатационной межфазной реологии размер интерфейса меняется со временем. Изменение поверхностного напряжения или поверхностного натяжения интерфейса измеряется во время этой деформации. На основе реакции межфазная вязкоупругость рассчитывается в соответствии с хорошо известными теориями: [1] [2]

| Э | = г γ г л н А = А г γ г А {\displaystyle \left\vert E\right\vert ={d\gamma \over dlnA}=A{d\gamma \over dA}}

Э ′ = | Э | потому что ⁡ δ {\displaystyle {\begin{align}E'&=\left\vert E\right\vert \cos \delta \end{align}}}

Э ″ = | Э | грех ⁡ δ {\displaystyle {\begin{align}E''&=\left\vert E\right\vert \sin \delta \end{align}}}

где

  • |E| — комплексный модуль расширения поверхности
  • γ — поверхностное натяжение или межфазное натяжение интерфейса
  • A — площадь интерфейса
  • δ — разность фазовых углов между поверхностным натяжением и площадью
  • E' ' - модуль упругости (накопления)
  • E' '' - модуль вязкости (потерь)

Чаще всего измерение дилатационной межфазной реологии проводится с помощью оптического тензиометра, объединенного с пульсирующим капельным модулем. Образуется подвесная капля с поверхностно-активными молекулами в ней, которая пульсирует синусоидально. Изменения в межфазной области вызывают изменения в молекулярных взаимодействиях, которые затем изменяют поверхностное натяжение. [3] Типичные измерения включают выполнение частотной развертки для раствора для изучения кинетики поверхностно-активного вещества.

В другом методе измерения, подходящем особенно для нерастворимых поверхностно-активных веществ, лоток Ленгмюра используется в режиме колеблющегося барьера. В этом случае два барьера, ограничивающие площадь интерфейса, колеблются синусоидально, и измеряется изменение поверхностного натяжения. [4]

Реология межфазного сдвига

Межфазная реология сдвига с использованием метода иглы

В реологии межфазного сдвига площадь межфазного контакта остается неизменной на протяжении всего измерения. Вместо этого площадь межфазного контакта сдвигается, чтобы иметь возможность измерить присутствующее поверхностное напряжение. Уравнения похожи на уравнения дилатационной межфазной реологии, но модуль сдвига часто обозначается как G вместо E, как в дилатационных методах. В общем случае G и E не равны. [5]

Поскольку реологические свойства интерфейса относительно слабы, это создает проблемы для измерительного оборудования. Для высокой чувствительности важно максимизировать вклад интерфейса, минимизируя вклад объемной фазы. Число Буссинеска, Bo, показывает, насколько чувствителен метод измерения для обнаружения вязкоупругости интерфейса. [5]

Коммерческие методы измерения межфазной реологии сдвига включают метод магнитной иглы, метод вращающегося кольца и метод вращающегося биконуса. [6] Метод магнитной иглы, разработанный Бруксом и др . [7] , имеет самое высокое число Буссинеска среди коммерческих методов. В этом методе тонкая магнитная игла колеблется на границе раздела с использованием магнитного поля. Отслеживая движение иглы с помощью камеры, можно обнаружить вязкоупругие свойства границы раздела. Этот метод часто используется в сочетании с ванной Ленгмюра , чтобы иметь возможность проводить эксперимент в зависимости от плотности упаковки молекул или частиц.

Приложения

Когда поверхностно-активные вещества присутствуют в жидкости, они имеют тенденцию адсорбироваться на границе раздела жидкость-воздух или жидкость-жидкость. Межфазная реология имеет дело с реакцией адсорбированного межфазного слоя на деформацию. Реакция зависит от состава слоя, и, таким образом, межфазная реология имеет значение во многих приложениях, в которых адсорбированный слой играет решающую роль, например, при разработке поверхностно-активных веществ , пен и эмульсий . Многие биологические системы, такие как легочный сурфактант и мейбум, зависят от межфазной вязкоупругости для своей функциональности. [8] Межфазная реология использовалась для понимания структурно-функциональной взаимосвязи этих физиологических интерфейсов, того, как отклонения состава вызывают такие заболевания, как респираторный дистресс-синдром у младенцев или синдром сухого глаза , и помогла разработать такие методы лечения, как искусственные заменители легочного сурфактанта и глазные капли . [9]

Межфазная реология позволяет изучать кинетику поверхностно-активных веществ , а вязкоупругие свойства адсорбированного межфазного слоя хорошо коррелируют со стабильностью эмульсии и пены . Поверхностно-активные вещества и поверхностно-активные полимеры используются для стабилизации эмульсий и пен в пищевой и косметической промышленности. Белки являются поверхностно-активными и адсорбируются на границе раздела, где они могут изменять конформацию и влиять на межфазные свойства. [10] Природные поверхностно-активные вещества, такие как асфальтены и смолы, стабилизируют водно-нефтяные эмульсии в приложениях с сырой нефтью, и понимание их поведения может улучшить процесс разделения сырой нефти. Также может быть оптимизирована эффективность повышения нефтеотдачи. [11]

Специализированные установки, которые позволяют осуществлять массовый обмен во время измерений межфазной реологии, используются для исследования реакции адсорбированных белков или поверхностно-активных веществ на изменения pH или солености . [12] Эти установки также могут использоваться для имитации более сложных условий, таких как желудочная среда, для исследования in vitro смещения или ферментативного гидролиза полимеров, адсорбированных на границах раздела масло-вода, чтобы понять, как соответствующая эмульсия переваривается в желудке. [13]

Межфазная реология позволяет исследовать адсорбцию бактерий и образование биопленки на границах раздела жидкость-воздух или жидкость-жидкость. [14]

В пищевой науке межфазная реология использовалась для понимания стабильности эмульсий , таких как майонез , [15] стабильности пены эспрессо , [16] пленки, образующейся на черном чае , [17] или образования биопленок комбучи . [18]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Миллер, Рейнхард. Лиджьери, Л. (Либеро) (2009). Межфазная реология . Брилл. ISBN 978-90-04-17586-0. OCLC  907184149.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  2. ^ Миллер, Рейнхард; Ферри, Джеймс К.; Джавади, Алияр; Крэгель, Юрген; Муцик, Ненад; Вюстнек, Райнер (2010-05-01). "Реология интерфейсных слоев". Colloid and Polymer Science . 288 (9): 937– 950. doi :10.1007/s00396-010-2227-5. ISSN  0303-402X. S2CID  93640525.
  3. ^ Rane, Jayant P.; Pauchard, Vincent; Couzis, Alexander; Banerjee, Sanjoy (2013-04-16). «Межфазная реология асфальтенов на границах раздела нефть–вода и интерпретация уравнения состояния». Langmuir . 29 (15): 4750– 4759. doi :10.1021/la304873n. ISSN  0743-7463. PMID  23506138.
  4. ^ Быков, АГ; Логлио, Г.; Миллер, Р.; Носков, БА (2015). «Дилационная поверхностная упругость монослоев заряженных полистирольных нано- и микрочастиц на границах раздела жидкость/жидкость». Коллоиды и поверхности A: физико-химические и инженерные аспекты . 485 : 42–48 . doi :10.1016/j.colsurfa.2015.09.004. ISSN  0927-7757.
  5. ^ ab Krägel, Jürgen; Derkatch, Svetlana R. (2010). "Интерфейсная реология сдвига". Current Opinion in Colloid & Interface Science . 15 (4): 246– 255. doi :10.1016/j.cocis.2010.02.001.
  6. ^ Renggli, D.; Alicke, A.; Ewoldt, RH; Vermant, J. (2020). «Окна работы для реологии колебательного межфазного сдвига». Журнал реологии . 64 (1): 141– 160. Bibcode : 2020JRheo..64..141R. doi : 10.1122/1.5130620 . hdl : 20.500.11850/389068 . ISSN  0148-6055.
  7. ^ Брукс, Карлтон Ф.; Фуллер, Джеральд Г.; Фрэнк, Кертис В.; Робертсон, Чаннинг Р. (1999). «Интерфейсный реометр для изучения реологических переходов в монослоях на границе раздела воздух-вода». Langmuir . 15 (7): 2450– 2459. doi :10.1021/la980465r. ISSN  0743-7463.
  8. ^ Leiske, Danielle L.; Leiske, Christopher I.; Leiske, Daniel R.; Toney, Michael F.; Senchyna, Michelle; Ketelson, Howard A.; Meadows, David L.; Fuller, Gerald G. (2012). «Температурно-индуцированные переходы в структуре и межфазной реологии мейбума человека». Biophysical Journal . 102 (2): 369– 376. Bibcode :2012BpJ...102..369L. doi :10.1016/j.bpj.2011.12.017. PMC 3260664 . PMID  22339874. 
  9. ^ Берч, Паскаль; Бергфройнд, Йотам; Виндхаб, Эрих Дж.; Фишер, Питер (август 2021 г.). «Физиологические жидкостные интерфейсы: функциональные микросреды, цели доставки лекарств и первая линия защиты». Acta Biomaterialia . 130 : 32–53 . doi : 10.1016/j.actbio.2021.05.051 . hdl : 20.500.11850/498803 . ISSN  1742-7061. PMID  34077806. S2CID  235323337.
  10. ^ Бергфройнд, Йотам; Динер, Майкл; Геу, Томас; Нуссбаум, Натали; Куммер, Нико; Берч, Паскаль; Нистрем, Густав; Фишер, Питер (2021). «Сборка глобулярных белков и формирование сети на границах раздела жидкостей: влияние масла». Мягкая материя . 17 (6): 1692–1700 . Бибкод : 2021SMat...17.1692B. дои : 10.1039/D0SM01870H . hdl : 20.500.11850/472320 . ПМИД  33393584.
  11. ^ Айирала, Субхаш С.; Аль-Салех, Салах Х.; Аль-Юсеф, Али А. (2018). «Взаимодействие ионов воды в микроскопическом масштабе на границе раздела сырая нефть/вода и их влияние на мобилизацию нефти при передовом заводнении». Журнал нефтяной науки и техники . 163 : 640–649 . doi :10.1016/j.petrol.2017.09.054. ISSN  0920-4105.
  12. ^ Рюс, Патрик А.; Шойбле, Натали; Виндхаб, Эрих Дж.; Мецценга, Раффаэле; Фишер, Питер (28 августа 2012 г.). «Одновременный контроль pH и ионной силы во время межфазной реологии фибрилл β-лактоглобулина, адсорбированных на границах раздела жидкость/жидкость». Langmuir . 28 (34): 12536– 12543. doi :10.1021/la3026705. PMID  22857147.
  13. ^ Scheuble, N.; Geue, T.; Windhab, EJ; Fischer, P. (11 августа 2014 г.). «Специализированная межфазная реология для стабильных адсорбционных слоев в желудке». Biomacromolecules . 15 (8): 3139– 3145. doi :10.1021/bm500767c. PMID  25029559.
  14. ^ Wu, Cynthia; Lim, Ji Youn; Fuller, Gerald G.; Cegelski, Lynette (август 2012 г.). «Количественный анализ амилоид-интегрированных биопленок, образованных уропатогенной Escherichia coli на границе раздела воздух-жидкость». Biophysical Journal . 103 (3): 464– 471. Bibcode :2012BpJ...103..464W. doi : 10.1016/j.bpj.2012.06.049 . PMC 3414876 . PMID  22947862. 
  15. ^ Киоссеоглу, В. Д.; Шерман, П. (июнь 1983 г.). «Влияние липопротеинов яичного желтка на реологию и стабильность эмульсий типа «масло в воде» и майонеза: 3. Вязкоупругие свойства пленок яичного желтка на границе раздела арахисовое масло-вода». Colloid & Polymer Science . 261 (6): 520– 526. doi :10.1007/BF01419836. S2CID  101091369.
  16. ^ Piazza, L.; Gigli, J.; Bulbarello, A. (февраль 2008 г.). «Исследование межфазной реологии структуры и свойств пены кофе эспрессо». Журнал пищевой инженерии . 84 (3): 420– 429. doi :10.1016/j.jfoodeng.2007.06.001.
  17. ^ Giacomin, Caroline E.; Fischer, Peter (сентябрь 2021 г.). "Межфазная реология черного чая и карбонат кальция". Physics of Fluids . 33 (9): 092105. Bibcode : 2021PhFl...33i2105G. doi : 10.1063/5.0059760 . hdl : 20.500.11850/505412 . S2CID  239631952.
  18. ^ Берч, Паскаль; Эттер, Данай; Фишер, Питер (2021). «Переходное измерение in situ роста биопленки чайного гриба и механических свойств». Еда и функции . 12 (9): 4015–4020 . doi : 10.1039/D1FO00630D . hdl : 20.500.11850/485857 . PMID  33978026. S2CID  234169590.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Interfacial_rheology&oldid=1258154484"