Способ измерения вязкости и модуля упругости слоя жидкости на твердой поверхности Советский патент 1984 года по МПК G01N11/00 

Изобретение относится к техничес кой физике, в частности к способам измерения упругости, вязкости и толщины адсорбционных слоев, например IIAB на твердой поверхности, и может быть использовано в качестве метода исследования процессов структурообра зования в тонких слоях эмульгаторов в коллоидной химии, для контроля кинетики формирования полимерных слоев в физической химии высокомолекулярных соединений, для изучения процессов закрепления слабых грунтов полим рами в технической мелиорации грунто грунтоведении, механике грунтов, для исследования структуры биологических мембран в биофизике, а также в медицинской, фармацевтической, пищевой и других отраслях промыщленнос ти. Известен способ измерения вязкости и модуля сдвига тонких жидких сло ев с помощью поверхностного вискозиметра с крутильным маятником путем измерения затухания крутильных колебаний горизонтального диска, приведенного в контакт с поверхностньм слоем, или измерения отношения напря жения к деформации при сдвиге ,1. Недостатком данного метода являет ся низкая точность измерения объемных значений вязкости и модуля сдвига из-за неопределенности значений толщины тонкого слоя, а также возмож ность изучения тонких слоев только на межфазной границе жидкость-воздух Известен способ измерения вязкости и модуля зластичности тонких слое ПАВ, образующих симметричную жидкую пленку на границе с воздухом, путем одновременного измерения действующего на пленку на границе внешнего гид ростатического давления и деформации (измерение толщины) пленки по интенсивности отраженного от пленки света вычисления модуля упругости и коэффи циента вязкости адсорбционных слоев по известным формулам механики сплош ных сред 2 J, Недостатком такого способа являет ся обязательное условие использования в качестве объекта исследования слоев, сформированных на межфазной границе жидкость-воздух. Кроме того, зтим способом невозможно измерить толщину недеформированных адсорбцион ных слоев, поскольку они сжаты капил лярным давление.м. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ измерения вязкости и модуля упругости слоя жидкости на твердой поверхности, включающий нагружение двух твердых выпуклых прозрачных образцов известной силой контактного давления через жидкую пленку, наблюдение контактной области в отраженном монохроматическом свете через один из образцов, измерение ширины зазора между поверхностями образцов по радиусам интерференционных колец Ньютона, вычисление упругости и вязкости жидкого слоя по измеренной за висимости ширины зазора от силы контактного давления и времени С 33. Недостатком известного способа является низкая точность определения модуля упругости и вязкости адсорбционных слоев ПАВ из-за неопределенности в значении силы контактного давления в результате действующих капиллярных сил в зоне мениска при проведении измерений«на воздухе и инерционности используемой системы нагружения, что также не позволяет определить толщину недеформированных адсорбционных слоев ПАВ. Цель изобретения - повьшение точности определения упругости и вязкости адсорбционных слоев ПАВ на твердой поверхности при одновременном измерении толщины недеформированных слоев. Указанная цель достигается тем, что согласно способу измерения вязкости и модуля упругости слоя жидкости на твердой поверхности, включающему нагружение двух твердых выпуклых прозрачных образт ов нзрестной силой контактного давления через жидкую пленку, наблюдение контактной области в отраженном монохроматическом свете через один из образцов, измерение ширины зазора между поверхностями образцов по радиусам интерференционных колец Ньютона, вычисление упругости и вязкости жидкого слоя по измеренной зависимости щирины зазора от силы контактного давления и времени, нагруткение образцов проводят в растворе ПАВ, в качестве образцов используют изогнутые в форме цилиндра молекулярно гладкие пластины слюды, один из образцов закрепляют на держателе динамометра магнитоэлектрической системы, фиксируют первоначаль ный зазор между образцами щириной в

несколько длин волн света, измеряют скорость сближения образцов под действием постоянной силы до и после возникновения их взаимного контакта, определяют толщину недеформировййно- 5 го слоя ПАВ по точке перегиба на кривой зависимости ширины зазора от времени, по установившейся постоянной величине зазора и скорости сближения поверхностей после точки перегиба оп-10 ределяю-Г модуль упругости и вязкость слоя.

На фиг. 1 представлена схема устройства для реализации способа на фиг. 2 - график зависимости ширины 15 зазора между поверхностями от времени йоджима на фиг. 3 и фиг. 4 - данные экспериментальных результатов.

Устройство содержит прозрачные образцы 1 и 2 (пластины, изогнутые в 20 аиде цилиндров), помещенные в жидкуюсреду 3 и приводимые в контакт путем нагружения образца 1 силой поджима (,, возникающей при пропускании тока 3f измеряемого миллиамперметром 4, 25 через динамометр магнитоэлектрической системы (МЭС) 5, оптический микроскоп 6 для наблюдения контакта образцов 1 и 2 в отраженном свете гелий-неонового лазера 7, анализатор зо 8 изобргжения, сигнал с которого подается на ЭВМ 9.

Способ осуществляется следующим образом.

Производится формирование адсорб- 35 ционных слоев ПАВ на твердой поверхности образцов путем вьщержки образцов 1 и 2 в жидкой среде 3 (растворе полимера) в течение времени t ; подводят образец 1 к.образцу 2 на рас- 40 стояние 0,5-1 мкм (до появления интерференционных колец Ньютона) путем нагружения образцов силой fp при пропускании тока через динамометр магнитоэлектрической системы (МЭС) 5,5 проградуированной по силе тока 3 , измеряемого миллиамперметром 4, юстируют оптическую систему таким образом,чтобы увеличенное в 100 раз изображение интерференционных колец в SO отраженном свете от гелий-неонового лазера 7, получаемое с помощью микроскопа 6, сформировалось на анализаторе 8 изображения и после обработки на ЭВМ 9 поступало в виде зна- S5 чений ширины зазора Н на одну из координат самописца (графопостроитет ля) (не показан), одновременно сигнал, пропорциональный силе fp , поступает на другую координату самописца. Затем скачкообразно 1увеличивают силу поджима от значения f до f„ и строят кривую зависимости изменеНИН зазора Н от времени поджима i (фиг. 2). Значение зазора Н, соответствующее точке перегиба А, на кривой Н (t) соответствует двойной толщине недеформиронанного адсорбционого слоя. Значение зазора Н, соответствукнцего горизонтальному участку кривой АВ, интерпретируют кэк двойную толщину адсорбционного слоя в условиях действия силы контактного давления fpi. В дальнейшем прикладьгеают новую силу поджима f р и получают аналогичные параметры для силы контактного давления fpj и т.д. Вязкость адсорбционных слоев ПАВ определяют по формуле

Н.

fpi

d:

kllK Ч

Н

где R- эффективный радиус кривизны мениска, определяемый согласно известному соотношению оптики по измеряемым значениям радиусов колец Ньютона и показателя преломления раствора. Модуль упругоЪти Е адсорбционных слоев определяется по известным значениям fp, Н, Нд и R по формуле контактной задачи Герца

(V)

(г)

в предлагаемом способе определение толщины (Нд) недеформированных адсорбционных слоев ПАВ возможно путем использования чувствительного динамометра (точность измерения сил р составляет ), что позволяет определить значение HQ, соответствующее точке перегиба А на кривой H(-t), с точностью 2 нм.

Как следует из формул (1) и (2) увеличение точности измерения силы контактного давления fp приводит к увеличению точности измерения вязкости i и модуля упругости Е адсорбционных слоев при прочих одинаковых условиях. В частности ошибка измерения силы fp на воздухе связана с возникновением сил капиллярного давления €ц из-за существования мениска. Оценка величины f, может быть проведена согласно соотношению

{„ 2ЛЛ6, (3| 510 () % 0 м;Дж-м (для межфазной границы гептан-вода) сЗйЮ м. что приводит к f 3-10-5 н. Подставляя значению в формулу (1) значения «к« CJ3 ЧО-5 Н, R« 10-2 t 1 с, НЛ :S 10 нм, Н (J- «100 им, получают нижний предел измерения вязкости адсорб ционных слоев , чтр в 10 разбольше вязкости воды. Анало гично, подставляя в уравнение (2) значения fp f 3 , R 10 м, (Hfo f 2(100 HM, получают нижний предел измеряемых значений л 10 Па. модуля упругости Ь . в физхимни поверхностных явлений практический интерес представляет возможность измерения вязкости адсор ционньрс слоев ПАВ в интервале , а модуля упругости в интер вале 10 - 10Па. Расположение образцов 3 растворе ПАВ позволяет использовать чувствительный динамометр магнитоэлектрической системы с точностью измерения силы fp 5 -10 Н, т.е. увеличить точно.сть из мерения си лы более чем в 10 раз. Это позволяет использовать предлагаемый способ для измерения вязкости и модуля упругости адсорбционных слоев ПАВ. Возможности способа наглядно демонстрируются на конкретном примере измерения упругости, вязкости и толщины адсорбционных слоев полимера, сформированных на цилиндрических i|oверхностях пластин слюды, помещенных в раствор желатина при рН 4,8. В ходе эксперимента были получены следующие результаты по измерению ширины зазора Н между пластинами слюды в функции времени их поджима, представ ленные в табл. 1. Ширина зазора расчитывается по кольцам Ньютона, возни кающим при освещении места контакта пластин слюды при киносъемке процесс поджима. Сила контактного давления () и радиус кривизны пластин слюды (R) оставались постоянными и были равны соответственно |р 10 дин, К 0,61 см. В табл. 1 приведена ширина зазора между пластинами как функция от времени при постоянной нагрузке. Экспериментальные результаты пред ставлены. в координатах (6i H,-t) на

фиг. 3. Как следует из фиг. 3,кривая зависимости t«vH f{i) имеет точку

-ЕУй-гб.чо. (6) 7 перегиба А, соответствующую времени io 1 с и tnHo 4,3 (т.е. Н 74 нм, где Нд - ширина зазора между пластинами слюды, соответствующая двойной толщине недеформированных адсорбционных слоев желатина). На расстоянии HO 74 нм а:дсорбционные слои приходят в непосредственный конгакт, после чего наступает пластичес|кое течение адсорбционных слоев с более высокой вязкостью. Вязкость дисперсионной среды ц , соответствующая участку кривой БА, вычисляется согласно соотношению (1). Подставляя в уравнение (1) значения fp IO-дин, R 0,61 см, HO 74 нм, Н 177 нм, i i 1 с, после вычисления получают о 1,6« Ю п, что вполне согласуется с вязкостью 1%-ного раствора желатина, полученной методом капиллярного вискозиметра. Вязкость адсорбционных слоев « на участке АН вычисляется по уравнению bJ/)2 Подставляя в уравнение (4) значения дг 1 си 1пН 4,18 для - 2 с. 0,12 П. получают Аналогичные вычисления могут быть проведены для определения вязкости более глубоко расположенных слоев. Модуль эластичности (упругости) адсорбционных слоев Е определяется согласно уравнению Герца (2). В серии экспериментов с раствором желатина 1%-ной концентрации и времени старения адсорбционного слоя :„ in были получены следующие результаты по измерению ширины зазора Н как функции от действующей силы {„ (причем величина HQ в данном эксперименте составляла 175 нм), представленные в табл. 2. , На фиг. 4 представлена экспериментальная зависимость (-Ер , ()/) которая является линейной функцией f , дин 1,6-10 (Н..-Н)з , (5) Сравнение уравнений (2) и (5) позволяет вычислить величину модуля эластичности Е

71С992478

Откуда,с учетом R 0,61 см, получа-собами, является на несколько порядют Е 3,140 дин/см.кон более точным, характеризуется

Таким образом, предлагаемый спо-высоким быстродействием, а также позсоб измерения модуля упругости, вяз-воляет проводить измерения во времени

кости адсорбционных слоев ПАВ на 5в условиях многократного разведения

твердой поверхности, а также их тол-и поджима образцов, т.е. обладает

щины, по сравнению с известными спо-большой повторностью.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ И МОДУЛЯ УПРУГОСТИ СЛОЯ ЖИДКОСТИ НА ТВЕРДОЙ ПОВЕРХНОСТИ, включающий нагружение двух твердых вьтуклых-прозрачных образцов известной силой контакт,ного давления через жидкую пленку, наблюдение контактной области в отраженном монохроматическом свете через один из образцов, измерение ширины зазора между поверхностями обКМ|Ь ДН18 i i.разцов по радиусам интерференционных колец Ньютона, iзычиcлeниe упругости и вязкости жидкого слоя по измеренной зависимости ширины зазора от ,силы контактного давления и времени, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения упругости и вязкости при одновременном измерении толщины недеформированных слоев поверхностно-активных веществ (ПАВ), нагружение образцов проводят в растворе ПАВ, в качестве образцов используют изогнутые в форме цилиндра молекулярно гладкие пластины слюды, один из образцов закрепляют на ; держателе динамометра магнитоэлектрической системы, фиксируют первоначальный зазор между образцами шириной в несколько длин волн света, измеряют скорость сближения образцов под действием постоянной силы до и после возникновения их взаимного контакта, определяют толщину недеформированного слоя ПАВ ПО т6Чкё пёрегиба1 на кривой зависимости ширины зазора от времени, по установившейся постоянной величине зазора и скорости сближения поверхностей после точки перегиба определяют модуль упругости и вязкость слоя.

i, с О 0,05 0,10 0,15 Н, нм 177 170 163 156 t, с 0.,55 0,60, 0,65- 0,70 Н, нк 112 107 103 98 t, с 1,50 2,0 5,0 10,0 Н, нм 71 66 45 40,5 fp, дин -10-г1,1 2.9 И, нм210 246 (Н, - Н), нм35 71 (Но-Н)з/2, 10- CM/ 6,55 18,92 Таблица .1 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 143 138 132 127 121 116 Продолжение табл. 1 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 94 90 87 82 78 76 Продолжение табл. 1 30,0 60,0 120 300 1000 39,5 38 38 37 36 3,64,4 5,3 255270 276 80 95 101 22,63 29,28 32,10

Фиг. 2 Фиг.1 t

LnH, нм

S,50r

I

Я