界面流变,表面流变

界面或表面流变是界面分析的一个分支,其涉及两种液体之间的界面张力(IFT)或液体的表面张力(SFT)与界面变形之间的反应。它与乳液泡沫等表面活性剂稳定体系的研究有关。

界面的粘弹性特性

表面张力或界面张力γ可定义为增加单位界面面积的功。对于纯液体而言,这种功与面积的变化成正比,与其面积和面积变化速度无关,因此表面张力或界面张力是一种物质常数。

但是,如果存在表面活性剂,则表面张力/界面张力取决于界面处吸附的分子浓度(表面过剩浓度Γ)。当界面扩大时,相对面积的表面活性剂浓度自发降低,使得表面张力/界面张力因此增加。这个过程被称为界面的弹性行为。这种行为是可逆的,即当界面的原始区域恢复时达到表面张力/界面张力的初始值。下图使用不溶性表面活性剂简化说明了该过程,分子只存在于界面上而不在体相中,因此不会出现浓度平衡。

如果表面活性剂分子处于体相,它们则会发生在界面上的扩散和吸附。这个过程导致表面张力/界面张力随时间推移产生不可逆的减少,其被称为粘性行为。弹性和粘性过程都发生在表面活性剂溶液的界面处,因此其对扩张产生的的效用称为粘弹性。

物理描述

拉伸时界面的粘弹性用复合粘弹性模量E*表示,它由弹性模量E'和粘性模量 E''组成:

粘弹性模量E是复合粘弹性模量E *的绝对值:

总体来说E'和E''共同表征了界面扩张对表面张力/界面张力的影响,其中E'表示由面积变化引起表面活性剂浓度变化对表界面张力的影响,而E''表示由于逐渐的浓度平衡而引起其随时间的变化。

意义

乳液和泡沫是具有大内表面的体系,它们通过表面活性剂的作用生成并且保持稳定。粘弹性模量描述了当扩大界面时表面/界面张力的增加,即界面抵抗这种变形的阻力。E'可以解释为系统的弹性反作用力,而E''则描述了变形后表面/界面张力初始值的恢复速度。现在已经发现这些量与泡沫和乳液稳定性的不同方面之间的各种相关性。

测量

当在复数平面中显示模量E*、E'和E''时,从实部Re和虚部Im可以看出,E'和E''由三角函数产生。

在测量过程中,用摄像机来记录悬挂液滴或气泡的界面面积由极其精确的滴定驱动装置周期性地以正弦方式进行变化,在此过程中,可通过Young-Laplace方程对液滴滴型的表面/界面张力进行计算,然后由表面积A和时间t获得其相关性。根据下面的正弦函数,角度φ(见上图)对应于表面积变化和表面张力/界面张力之间的相移,其也显示出正弦曲线的发展。

利用三角函数与指数函数之间的关系,可以计算界面流变量E*、E'和 E''(ω = 角频率,A0 = 面积的平均值,Δγ =表面张力/界面张力的振幅,ΔA = 面积的振幅)

参考文献

S.C. Russev, N. Alexandrov, K.G. Marinova, K.D. Danov, N. D. Denkov, L. Lyutov, V. Vulchev, C. Bilke-Krause, “Instrument and methods for surface dilatational rheology measurements”, Rev. Sci. Instr. 2008, 79, 104102.

F. Thomsen, "Stretching exercises for drops". KRÜSS Application Report AR 246