原位狀態(tài)下高濃度分散體系的過(guò)程流變性研究

2020-12-21

介紹

高濃度分散體系通常是非常復(fù)雜的分散體系，在靜止時(shí)微觀結(jié)構(gòu)和流變性能逐漸變化，本文通過(guò)Rheolaser Master光學(xué)法微流變儀研究了高濃度分散體系在靜止?fàn)顟B(tài)下粘彈性的變化過(guò)程。

微流變學(xué)過(guò)去20年一直是流變學(xué)研究的熱點(diǎn)，前沿的研究人員對(duì)流變學(xué)表征這一技術(shù)也愈加感興趣。不同于宏觀流變學(xué)，微流變學(xué)從樣品的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過(guò)追蹤分散體系中膠體示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)情況來(lái)獲得體系的粘彈性參數(shù)。微流變學(xué)的特點(diǎn)在于可以表征極低粘度樣品（如聚合物溶液或蛋白質(zhì)溶液）的粘彈性，測(cè)量范圍和靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)代精密的機(jī)械流變儀可達(dá)到的范圍。微流變技術(shù)的一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是可測(cè)量、表征弱結(jié)構(gòu)流體的粘彈性。另外，所需要的樣品量非常少，操作更加簡(jiǎn)單，可以持續(xù)追蹤粘彈性的變化過(guò)程。

1.1 分散體系中粒子的運(yùn)動(dòng)

粒子的布朗運(yùn)動(dòng)是無(wú)序運(yùn)動(dòng)，微流變學(xué)中研究其統(tǒng)計(jì)學(xué)分布規(guī)律，使用均方根位移（MSD=Mean Square Displacement）描述粒子的運(yùn)動(dòng)，即單位時(shí)間內(nèi)粒子運(yùn)動(dòng)的面積。這樣便可以消除粒子移動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的不規(guī)則性。      

對(duì)于純粘性非牛頓流體來(lái)說(shuō)，粒子的運(yùn)動(dòng)是自由的，均方根位移MSD隨著粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)間的增加呈直線增加，見(jiàn)圖1。而粘彈性非牛頓流體中的粒子在運(yùn)動(dòng)一段距離后會(huì)被大分子骨架阻擋和纏繞，隨著時(shí)間繼續(xù)增加，在弛豫時(shí)間T_R時(shí)突破纏繞進(jìn)入宏觀溶劑中，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)擴(kuò)大均方根面積。所以，均方根位移曲線的平臺(tái)區(qū)表現(xiàn)了樣品的彈性強(qiáng)弱，T_R之后的斜率區(qū)表現(xiàn)樣品的粘性強(qiáng)弱。

結(jié)果與討論

粘彈性平衡狀態(tài)的MSD曲線分析

   圖2 不同樣品MSD曲線對(duì)比

上圖是三個(gè)不同配方的高濃度分散體系在粘彈性平衡時(shí)的均方根位移曲線對(duì)比，1#為紅色，2#為藍(lán)色，3#為黃色。首先，三個(gè)樣品均有明顯的彈性平臺(tái)，均是粘彈性流體。3#樣品（黃）的彈性平臺(tái)區(qū)更靠近下方，說(shuō)明其微觀構(gòu)造的彈性更強(qiáng)，2#樣品（藍(lán)）的粘性斜率區(qū)更加靠右，說(shuō)明其粘度強(qiáng)。

過(guò)程流變性

分析了三個(gè)樣品在靜置狀態(tài)下的粘度因子和弛豫時(shí)間的變化，通過(guò)監(jiān)測(cè)各鉆井液流變性隨靜置時(shí)間的變化對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行排序。粘度因子由均方根位移MSD曲線粘性區(qū)斜率的倒數(shù)計(jì)算得來(lái)，可以直觀的反應(yīng)鉆井液粘性的變化過(guò)程。

 圖3 不同樣品粘度變化過(guò)程對(duì)比

從上可見(jiàn)，三個(gè)樣品在開(kāi)始時(shí)間內(nèi)由于結(jié)構(gòu)恢復(fù)過(guò)程，粘度持續(xù)增加，并逐步達(dá)到粘性平衡，但是1#樣品（紅）在2.5h之后粘度開(kāi)始下降，2#號(hào)樣品（藍(lán)）22h后粘度發(fā)生下降，說(shuō)明結(jié)構(gòu)也發(fā)生了崩解。3#樣品（黑）穩(wěn)定，粘度在30h測(cè)試時(shí)間內(nèi)未降低。

結(jié)論

高濃度分散體系中的高分子聚合物可以形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，用于懸浮顆粒的骨架。當(dāng)分散體系被攪拌后，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被打散，在靜置時(shí)開(kāi)始結(jié)構(gòu)恢復(fù)，黏性逐漸增加。穩(wěn)定性不好的分散體系在靜置一段時(shí)間后網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)開(kāi)始失穩(wěn)，此時(shí)可能導(dǎo)致嚴(yán)重的顆粒沉降問(wèn)題。

微流變學(xué)可以精確地描述高濃度分散體系的粘彈性變化過(guò)程，這對(duì)進(jìn)一步研究和表征分散體系復(fù)雜的終使用性能具有很重要的意義。