Способ измерения вязкости и модуля упругости слоя жидкости на твердой поверхности

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

ОСМНЦВФ

РЕСПУБЛИК

С 01 К 11ИО

ГОСУДАРСТВЕНКЫЙ HOMHTET СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3555568/18-25 (22) 21.12.82 (46) 23.06,84. Бюл. У 23 (72) В.Г.Бабак, В.Н.Соколов, А.П.Резниченко и Н.Г.Дехтяренко (71) МГУ им. М.В.Ломоносова (53) 539.137(088.8) (56) 1. Gaines С.Ь.I. Insolubles Monolayersat Liquid-Gas Interfaces, Interscience, New-3ork, 1966, р. 68-72.

2. Чап Vliet Т. Interaction between adsorbed macromolecules, Meded

Land houw hogeschool Wageningen 77-1, 1977, р. 86 -92.

3. Paul С.R., Camerzon А. An absdute high-ргезэаге microviscometer

based on refractive index. Proc.

R. Soc. Lond >v. А 331, N 1585, р. 171-183, 1972 (прототип). (54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ И

МОДУЛЯ УПРУГОСТИ СЛОЯ ЖИДКОСТИ НА

ТВЕРДОЙ ПОВЕРХНОСТИ, включающий нагружение двух твердых выпуклых-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 об„SU.„109924 разцов по радиусам интерференционных колец Ньютона, вычисление упругости и вязкости жидкого слоя по измеренной зависимости ширины зазора от сипы контактного давления и времени, о т л ич а ю шийся 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 магнитоэлектри- Е ческой системы, фиксируют первоначальный зазор между образцами шириной в несколько длин волн света, измеряют скорость сближения образцов под действием постоянной силы до и после

° Ю

С возникновения их взаимного контакта, определяют толщину недеформированного слоя ПАВ по тоЧке йерегиба на кривой зависимости ширины зазора от времени, по установившейся постоянной величине зазора и скорости сближения поверхностей после точки перегиба опре деляют модуль упругости и вязкость слоя.

Ю992Ь7

Ф

Изобретение относится к техничес кой физике, в частности к способам измерения упругости, вязкости и толщины адсорбционных слоев, например

IIAH на твердой поверхности, и может быть использовано в качестве метода исследования процессов структурообразования в тонких слоях эмульгаторов в коллоидной химии, для контроля кинетики формирования полимерных слоев в физической химии высокомолекулярных соединений, для изучения процесt0 сов закрепления слабых грунтов полимерами в технической мелиорации грунтов, 5 грунтоведении, механике грунтов, для исследования структуры биологических мембран в биофизике, а также в медицинской, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленнос- 0 ти.

Известен способ измерения вязкости и модуля сдвига тонких жидких сло. ев с помощью поверхностного вискозиметра с крутильным маятником путем 25 измерения затухания крутильных колебаний горизонтального диска, приведенного в контакт с поверхностным слоем, или измерения отношения напряжения к деформации при сдвиге $ 13.

Недостатком данного метода является низкая точность измерения объемных значений вязкости и модуля сдвига из-за неопределенности значений толщины тонкого слоя, а также возможность изучения тонких слоев только

35 на межфазной границе жидкость-воздух.

Известен способ измерения вязкости и модуля эластичности тонких слоев

ПАВ, образующих симметричную жидкую

40 пленку на границе с воздухом, путем одновременного измерения действующего на пленку на границе внешнего гидростатического давления и деформации (измерение толщины) пленки по интен45 сивности отраженного от пленки света, вычисления модуля упругости и коэффициента вязкости адсорбционных слоев по известным формулам механики сплошных сред (2 3.

Недостатком такого способа являет50 ся обязательное условие использования в качестве объекта исследования слоев, сформированных на межфазной границе жидкость-воздух. Кроме того, этим способом невозможно измерить толщину недеформированных адсорбционных слоев, поскольку они сжаты капиллярным давлением.

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 зависимости ширины зазора от силы контактного давления и времени (31.

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 — повышение 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 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 зависимости ширины зазора от силы контактного давления и времени, 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 первоначаль ный зазор между образцами шириной в

3 10992 несколько длин волн света, измеряют скорость сближения образцов под дей,ствием постоянной силы до и после возникновения их взаимного контакта, определяют толщину недеформированного слоя ПАВ по точке перегиба на кривой зависимости ширины зазора от времени, по установившейся постоянной . величине зазора и скорости сближения поверхностей после точки перегиба on- 10 л ределяюч модуль упругости и вязкость слоя.

На фиг. 1 представлена схема устройства для реализации способа; на

° фиг. 2 — график зависимости ширины !5 зазора между поверхностями от времени поджима1 на фиг. 3 и фиг. 4 — данные экспериментальных результатов.

Устройство содержит прозрачные образцы 1 и 2 (пластины, изогнутые в 2О виде цилиндров), помещенные в жидкую. среду 3 и приводимые в контакт путем нагружения образца 1 силой поджима

f, возникающей при пропускании тока

3, измеряемого миллиамперметром 4, 25 через динамометр магнитоэлектрической системы (ИЭС) 5, оптический микроскоп 6 для наблюдения контакта образцов 1 и 2 в отраженном свете гелий-неонового лазера 7, анализатор ЗО

8 изображения, сигнал с которого подается на ЭВМ 9.

Способ осуществляется следующим образом.

Производится формирование адсорб- 35 ционных слоев ПАВ на твердой поверхности образцов путем выдержки образцов 1 и 2 в жидкой среде 3 (растворе полимера) в течение времени tg, подводят образец 1 к.образцу 2 на рас- 40 стояние 0,5-1 мкм (до появления интерференционных колец Ньютона) путем нагружения образцов силой при пропускании тока через динамометр магнитоэлектрической системы (МЭС) 5,45 проградуированной по силе тока 3, 1 измеряемого миллиамперметром 4, юстируют оптическую систему таким образом,чтобы увеличенное в 100 раэ иэображение интерференционных колец в 50 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- 55 чений ширины зазора Н на одну из координат самописца (графопостроите-. ля) (не показан), одновременно сиггде Р— эффективный радиус кривизны мениска, определяемый согласно извест ному соотношению оптики по измеряемым значениям радиусов колец Ньютона и показателя преломления раствора. Модуль упругости Е адсорбционных слоев определяется по известным значениям

Н, Н и Р по формуле контактной задачи Герца

Х, = —, 1% (Н,-Н) (21

В предлагаемом способе определение толщины (Н z) недеформированных адсорбционных слоев ПАВ возможно путем использования чувствительного динамометра (точность измерения сил

Е составляет 10 Н), что позволяет определить значение Но, соответствующее точке перегиба А на кривой Н(), с точностью 2 нм.

Как следует из формул (1) и (2)

1 увеличение точности измерения силы контактного давления Е приводит к увеличению точности измерения вязкости и модуля упругости Е адсорбционных слоев при прочих одинаковых условиях. В частности ошибка измерения силы Ю на воздухе связана с возникновением сил капиллярного давления

%к из-эа существования мениска. Оценка величины „ .может быть проведена согласно соотношению 1„=2/736, (3l

47 4 нал, пропорциональный силе f>, поступает на другую координату самописца. Затем скачкообразно увеличивают силу поджима от значения до Е, и строят кривую зависимости измейения зазора Н от времени поджима 4. (фиг. 2). Значение зазора H, соот-. ветствующее точке перегиба А, на кривой Н () соответствует двойной толщине недеформированного адсорбционного слоя. Значение зазора Нд, соответствующего горизонтальному участку кривой АВ, интерпретируют как двойную толщину адсорбционного слоя в условиях действия силы контактного давления „. В дальнейшем прикладывают новую силу поджима Ур и получают аналогичные параметры для силы контактного давления и т.д. Вязкость адсорбционных слоев ПАВ определяют по формуле

Н К (") н

1099247 где 6, .)О мДж м (для межфазной границы гептан-вода);

ol = 10 -4 м. что приводит к значению Х = 3 -10 Н. Подставляя

-6 в формулу (1) значения Ер= Х„ л

3 10 Н, R 10 > м, g = 1 с, Н "."

10 нм, Н о 100 нм, получают нижний предел измерения вязкости адсорбционных слоев у „=10 Па ° с, что в 10 раз больше вязкости воды. Аналогично, подставляя в уравнение (2) значения Юр= 1„ = 3 -10 Н, Р =

-5

10 м, (Н о — Н) 100 нм, получают нижний предел измеряемых значений модуля упругости Е,.„= 10 " Па.

В физхимии поверхностных явлений практический интерес представляет возможность измерения вязкости адсорб. ционных слоев ПАВ B интеpяале 10

-10 Па.с, а модуля упругости в интервале 10 — 10 Па.-Расположение образцов в растворе ПАВ позволяет использовать чувствительный динамометр магнитоэлектрической системы с точностью измерения силы К =5 .10 Н, Р т.е. увеличить точность измерения 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 по35 верхностях пластин слюды, помещенных в раствор желатина при рН = 4,8. В ходе эксперимента были получены следующие результаты по измерению шири40 ны зазора Н между пластинами слюды в функции времени их поджима, представ. ленные в табл. 1. Ширина зазора расчитыяается по кольцам Ньютона, возникающим при освещении места контакта . 45 пластин слюды при киносъемке процесс поджима. Сила контактного давления (Хр) и радиус кривизны пластин слюды (И) оставались постоянными и были равны соответственно = 10 " дин, К = 0,6 1 см. В табл. 1 приведена ширина зазора между пластинами как функция от времени при постоянной нагрузке.

Экспериментальные результаты пред ставлень) я координатах qe H,4) на

Г Ю фиг. 3. Как следует из фиг. З,кривая зависимости /AH = 1(- -) имеет точку перегиба А, соответствующую времени

eо = 1 с и боНо = 4,3 (г.е. Но

74 нм, где Н вЂ” ширина зазора между пластинами слюды, соответствующая двойной толщине недеформированных адсорбционных слоев желатина). На расстоянии Hp = 74 нм адсорбционные слои приходят в непосредственный конIòàKò, после чего наступает пластичес. — ..

1кое течение адсорбционных слоев с бо лее высОкой вязкостью.

Вязкость дисперсионной среды соответствующая участку кривой БА, вычисляется согласно соотношению (1).

Подставляя в уравнение (1) значения р1 0 "дин,Р= О,6 1см,Н(, 74 нм, Н = 177 нм, = 1 = 1 с, после вычисления получают 1 = 1,6

«10 Л, что вполне согласуется с вязкостью 1Х-ного раствора. желатина, полученной методом капиллярного вис— козиметра.

Вязкость адсорбционных слоев на участке АВ вычисляется по уравнению

Подставляя в уравнение (4) значения ь = 1 с и 1) Н = 4,18 для 1 = 2 с, получают )1 « = 0,12 П.

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

1Х-ной концентрации и времени старения адсорбционного слоя = 10 с ь были получены следующие результаты по измерению ширины зазора Н как функции от дсйстяующей силы fp (причем

I величина Но в данном эксперименте составляла 175 нм), представленные в табл. 2.

На фиг. 4 представлена экспериментальная зависимость (4 „, (Н -H)о ) которая является линейной функцией дин = 1,6 -10 (Н,-Н) (5)

Сравнение уравнений (2) и (5) позволяет вычислить величину модуля эластичности Š— EVR=.1,ь 4о . (ь)

1099247

Таблица 1 с О 005 010 015 025 030 035 040 045 050

Н, нм 177 170 163 156 143 138 132 127 121 116

Продолжение табл. 1 ф, с О,, 55 Оэ60э Ов65 Oв 70 Оэ 75 Оэ 80 0185 Оэ 90 Oв 95 1э ОО

Н, нм 112 107 103 98 94 90 87 82 78 76

Продолжение табл. 1 с 1,50 2 ° О 5,0 10,0 30,0 60,0 120

30С

1000

40 5 39 5 38

66 . 45

Н, нм 71

37

Таблица 2 рудин 10

3,6

2,9

4,4

5,3

276

Н, нм

246

210

270

255 (Н „— Н), нм

80

101 (Н о — Н)э/ 10 см / 6 55

18,.92

22, 63 29, 28

32,10

Откуда,с учетом Р = 0,61 см, получают Е =- 3, 1 ° 10" дин/см .

Таким образом, предлагаемый способ измерения модуля упругости, вязкости адсорбционных слоев IIAB на 5 твердой поверхности, а также их толщины, по сравнению с известными спо-! собами, является на несколько порядков более точным, характеризуется высоким быстродействием, а также позволяет проводить измерения во времени в условиях многократного разведения

/ и поджима образцов, т. е. обладает большой повторностью.. 1099247

1099247

Ф,УР

jlHu

zао su аа с

Фиг.Р п(н -и) ЦЯм )

Составитель Л.Макальский

Редактор Р.Цицика Техред M.Êó M Корректор О.Тигор

Заказ 4364/36 Тираж 823 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4