原位狀態下高濃度分散體系的過程流變性研究

2020-12-21

介紹

高濃度分散體系通常是非常復雜的分散體系，在靜止時微觀結構和流變性能逐漸變化，本文通過Rheolaser Master光學法微流變儀研究了高濃度分散體系在靜止狀態下粘彈性的變化過程。

微流變學過去20年一直是流變學研究的熱點，前沿的研究人員對流變學表征這一技術也愈加感興趣。不同于宏觀流變學，微流變學從樣品的微觀結構出發，通過追蹤分散體系中膠體示蹤粒子的運動情況來獲得體系的粘彈性參數。微流變學的特點在于可以表征極低粘度樣品（如聚合物溶液或蛋白質溶液）的粘彈性，測量范圍和靈敏度遠遠超過現代精密的機械流變儀可達到的范圍。微流變技術的一個重要的優點是可測量、表征弱結構流體的粘彈性。另外，所需要的樣品量非常少，操作更加簡單，可以持續追蹤粘彈性的變化過程。

1.1 分散體系中粒子的運動

粒子的布朗運動是無序運動，微流變學中研究其統計學分布規律，使用均方根位移（MSD=Mean Square Displacement）描述粒子的運動，即單位時間內粒子運動的面積。這樣便可以消除粒子移動過程中產生的不規則性。      

對于純粘性非牛頓流體來說，粒子的運動是自由的，均方根位移MSD隨著粒子運動時間的增加呈直線增加，見圖1。而粘彈性非牛頓流體中的粒子在運動一段距離后會被大分子骨架阻擋和纏繞，隨著時間繼續增加，在弛豫時間T_R時突破纏繞進入宏觀溶劑中，繼續運動擴大均方根面積。所以，均方根位移曲線的平臺區表現了樣品的彈性強弱，T_R之后的斜率區表現樣品的粘性強弱。

結果與討論

粘彈性平衡狀態的MSD曲線分析

   圖2 不同樣品MSD曲線對比

上圖是三個不同配方的高濃度分散體系在粘彈性平衡時的均方根位移曲線對比，1#為紅色，2#為藍色，3#為黃色。首先，三個樣品均有明顯的彈性平臺，均是粘彈性流體。3#樣品（黃）的彈性平臺區更靠近下方，說明其微觀構造的彈性更強，2#樣品（藍）的粘性斜率區更加靠右，說明其粘度強。

過程流變性

分析了三個樣品在靜置狀態下的粘度因子和弛豫時間的變化，通過監測各鉆井液流變性隨靜置時間的變化對其穩定性進行排序。粘度因子由均方根位移MSD曲線粘性區斜率的倒數計算得來，可以直觀的反應鉆井液粘性的變化過程。

 圖3 不同樣品粘度變化過程對比

從上可見，三個樣品在開始時間內由于結構恢復過程，粘度持續增加，并逐步達到粘性平衡，但是1#樣品（紅）在2.5h之后粘度開始下降，2#號樣品（藍）22h后粘度發生下降，說明結構也發生了崩解。3#樣品（黑）穩定，粘度在30h測試時間內未降低。

結論

高濃度分散體系中的高分子聚合物可以形成網絡結構，用于懸浮顆粒的骨架。當分散體系被攪拌后，網絡結構被打散，在靜置時開始結構恢復，黏性逐漸增加。穩定性不好的分散體系在靜置一段時間后網絡結構開始失穩，此時可能導致嚴重的顆粒沉降問題。

微流變學可以精確地描述高濃度分散體系的粘彈性變化過程，這對進一步研究和表征分散體系復雜的終使用性能具有很重要的意義。