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        動態薄膜干涉儀

        時間:[2018-12-25]  來源:

        設計生產單位:Fuller Laboratories,Stanford

        (1)儀器簡介

        動態流體膜干涉儀(Interfacial Drainage Dilatational and Stability Stage, IDDiaSS)通過可控過程把一定體積的液滴或者氣泡移動到兩相界面,利用高精度壓力傳感器測量施加在界面上的機械應力,通過顏色干涉法記錄兩個界面之間的流體運動的動力學過程,并利用高速照相機記錄液滴或氣泡壓向“界面”過程中的形變全過程。該設備可用于研究大分子膜與液體之間的相互作用與其影響因素,特別是檢驗大分子膜在液體表面的粘彈模量、微納尺度液體膜的厚度、液體在表面的流動特性等。

        (2)工作原理

        動態流體膜干涉儀(IDDiaSS)主要由一個腔體和一個半自動注射器組成。注射器產生并維持一個小液滴或氣泡,直到其移動到兩相界面附近(簡稱“界面”)。氣泡或液滴與周圍液體形成的界面稱之為“第二界面”。這兩個界面的相對位置由計算機驅動的可移動平臺控制。通過移動平臺使“界面”接近氣泡或液滴界面。伴隨間隙薄膜液體從液滴或者氣泡不斷流失,其厚度達到一個臨界點,形成顏色相干的條紋。該條紋被豎直安裝的彩色相機所記錄,如圖1所示。通過軟件解析圖案,可建立薄膜厚度與空間和時間的函數映射關系。

        隨著液滴或氣泡向“界面”移動,兩個界面隨之變形,液滴或氣泡內的壓力增加。當液滴距離“界面”很遠時,液滴或氣泡內部的壓力只有拉普拉斯壓力(Laplace pressure):?P=2τ /R,其中 τ 是液滴或氣泡表面的界面應力,R為液滴半徑。在液滴或氣泡的界面缺乏表面活性物質或者這些活性物質在界面移動度較高時,τ僅為表面張力。如果這些物質存在表面濃度梯度,將引入馬蘭戈尼應力(Marangoni stress)。對于現有的去乳劑而言,因其復雜的界面活性,τ為一個能夠反映界面流變性能的機械表面應力張量。

        圖1 用來研究水滴對油/水界面聚結動力學行為的IDDiaSS設備示意圖

        (3)技術參數

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

        • 注射體積范圍:0.5 μl—10 ml

        • 流速范圍:0.54 pl/min—11.70 ml/min

        • 蠕動步分辨率:0.031 μm/μstep

        • 蠕動步速率:27.5 sec/μstep—26 μsec/μstep

        2)壓力傳感器(PX409-10WGUSBH)

        • 范圍:5PSI—5000PSI

        • 重復精度:&plusmn;0.08BSL

        • 絲直徑分辨率:10 μm

        • 系統響應時間:≤10 ms

        • 小樣品量:<1 ml

        • 時間分辨率:0.2 ms

        • 膜厚度可測量最低值:<50 nm

        • 液滴/氣泡接觸速度范圍:0.10 mm/s—2 mm/s

        • 液滴/氣泡體積流量范圍:0.54 pl/min—11.70 ml/min

        3)雙相機攝像功能(IDS)

        • 頂部攝像機分辨率:1936&times;1456像素,130萬像素

        • 最短曝光時間2 ms

        • 側向攝像機分辨率:1936&times;1216像素

        • 灰度值:8-bit dynamic range/24bit 彩色

        4)附帶視頻分析軟件(Color Analyzer Software)

        • 具備對應力、膜厚等參數的直接測量

        • 數據可輸出至ASCII文件

        5)可自行設計樣品腔體

        6)可自行設計樣品腔體和照相機的相對位置來滿足不同的研究目的

        (4)應用領域

        1)用于檢驗大分子膜在液體表面的粘彈模量、微納尺度液體膜的厚度、液體在表面的流動特性等;

        2)用于檢驗聚合物溶液、懸浮液、熔體、粘合劑、乳液等材料;

        3)用于研究大分子膜與液體之間的相互作用與其影響因素。

        (5)參考文獻

        [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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