Lưu biến học bề mặt phân cách
Mặt phân cách là vùng tiếp xúc giữa hai pha không hòa lẫn vào nhau (ví dụ: mặt phân cách nước–dầu). Hệ thống lưu biến bề mặt phân cách (IRS) được sử dụng để đo các tính chất lưu biến của màng tại mặt phân cách giữa hai chất lỏng hoặc giữa chất lỏng và chất khí, chẳng hạn như không khí. Hệ thống này cho phép nghiên cứu ảnh hưởng của các loại chất hoạt động bề mặt đến độ ổn định của màng này (ví dụ: trong các công thức nhũ tương, hệ bọt hoặc đối với độ ổn định của giọt), đồng thời hỗ trợ các phép đo lưu biến ngay cả với những cấu trúc mặt phân cách yếu nhất.
Bối cảnh
Khi kết hợp với lưu biến kế MCR, IRS cho phép thực hiện các phép đo lưu biến hai chiều đối với màng tại bề mặt phân cách khí/lỏng và lỏng/lỏng.
Trong các phép đo này, ứng suất cắt được biểu thị bằng ứng suất cắt liên bề mặt τs, với [τs] = Pa·m. Độ nhớt khi đó là độ nhớt cắt liên bề mặt ηs, theo quan hệ: τs = ηs · γ. Độ nhớt cắt liên bề mặt có đơn vị [ηs] = Pa·s·m = N·s/m hoặc poise bề mặt.
Một hệ đo chuyên dụng được đặt trực tiếp trên bề mặt phân cách để đo màng hấp phụ hoặc màng được tạo bằng phương pháp trải (ví dụ: màng do protein hoặc chất hoạt động bề mặt tạo thành).
Hai hình học đo chính trong lưu biến bề mặt phân cách là:
- Hình học côn kép:
- Đo tại mặt phân cách lỏng-lỏng (nước-dầu) và nước-khí (không khí)
- Trường cắt được xác định rõ ràng
- Đo được các hệ có độ nhớt cao
- Vòng thành đôi (DWR):
- Đo mặt phân cách lỏng-khí (không khí); cũng có thể đo mặt phân cách lỏng-lỏng (nước-dầu) với một số hạn chế
- Trường cắt được xác định rõ ràng
- Ít bị ảnh hưởng bởi pha bên dưới (số Boussinesq cao)
Lưu ý: Phép đo lưu biến cắt tại bề mặt phân cách chỉ có ý nghĩa khi đã hình thành màng. Có hai phương pháp phổ biến để tạo màng tại bề mặt phân cách: trải màng hoặc hấp phụ.
Màng trải (chủ yếu áp dụng cho chất hoạt động bề mặt có khối lượng phân tử thấp) có thể được tạo theo các bước sau:
- Hòa tan chất hoạt động bề mặt trong dung môi dùng để trải màng (ví dụ: hexan, etanol, chloroform)
- Nhỏ trực tiếp dung dịch lên bề mặt nước bằng ống tiêm vi lượng
- Chờ dung môi bay hơi hoàn toàn
- Nhẹ nhàng rót pha dầu lên trên màng chất hoạt động bề mặt
Màng hấp phụ (ví dụ: lớp protein ở bề mặt phân cách) được hình thành do các phân tử hấp phụ từ pha khối lên bề mặt này. Có thể tạo màng bằng cách:
- Hòa tan protein trong nước cất
- Nhẹ nhàng rót pha dầu lên trên dung dịch protein trong nước
IRS, khi kết hợp với MCR và hình học côn kép hoặc vòng thành đôi (DWR), cho phép thực hiện các phép đo lưu biến bề mặt phân cách ngay cả với những cấu trúc bề mặt phân cách rất yếu. Ngoài ra, với hình học côn kép, còn có thể đo được các giá trị độ nhớt bề mặt phân cách cao.
Các phép đo lưu biến tiêu chuẩn tạo ra dữ liệu thô, từ đó có thể tính toán các tính chất bề mặt phân cách. Phân tích trường dòng chảy thủy động học trong bước hậu xử lý giúp loại trừ phần đóng góp của pha khối và pha phủ, đồng thời tính toán các tính chất bề mặt phân cách liên quan của lớp phân cách được đo. Phép đo có thể được thực hiện ở chế độ quay và dao động, chẳng hạn để xác định đường cong dòng chảy, thực hiện phép thử rão trên lớp phân cách hoặc tiến hành phép đo dao động trong quá trình hình thành màng.
Nhiệt độ được kiểm soát bằng các phần tử Peltier trong dải từ 5 °C đến 70 °C; cảm biến lực pháp tuyến được cấp bằng sáng chế, tích hợp trong ổ đỡ khí của lưu biến kế MCR, cho phép định vị chính xác mọi hình học đo được sử dụng tại bề mặt phân cách.
Các phép thử lưu biến bề mặt phân cách điển hình có thể thực hiện bao gồm:
- Phép đo theo thời gian để theo dõi quá trình hình thành màng tại bề mặt phân cách
- Đường cong dòng chảy
- Quét biên độ
- Quét tần số
Ứng dụng điển hình:
- Thực phẩm: nhũ tương và bọt
- Sản phẩm tiêu dùng: nhũ tương, bọt và chất hoạt động bề mặt
- Dược phẩm: vi nang hóa và giải phóng dược chất
- Ngành dầu khí: chất hoạt động bề mặt, chất giảm lực cản và hệ nước–dầu
- Đơn lớp Langmuir: màng trên bề mặt phân cách nước–không khí
Ví dụ phép đo
Hình dưới đây minh họa một phép đo điển hình dùng để khảo sát các tính chất lưu biến bề mặt phân cách của lớp crema cà phê. Hình này cho thấy quá trình hình thành màng của cùng một mẫu cà phê ở ba mức nồng độ khác nhau. Khi tiến hành phép đo ở biên độ biến dạng và tần số không đổi, có thể theo dõi quá trình hấp phụ cũng như sự hình thành mạng lưới của các cấu tử hoạt động bề mặt tại bề mặt phân cách lỏng/không khí. Ở nồng độ cao hơn, màng biểu hiện tính đàn hồi sau thời gian ngắn hơn. Ở nồng độ thấp nhất, các mô đun tiếp tục tăng trong thời gian dài hơn và đến cuối thí nghiệm vẫn chưa đạt giá trị ổn định. Điều này cho thấy nồng độ bột cà phê càng cao thì quá trình hình thành màng diễn ra càng nhanh.
