專利名稱：確定流體流變特性的方法和設(shè)備及相應(yīng)的識(shí)別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及確定流體流變特性的方法和設(shè)備及應(yīng)用該方法和/或該設(shè)備的識(shí)別方法。
存在大量本發(fā)明要處理的日常生活中碰到的流體。僅作為說(shuō)明的目的，尤其可以舉出泡沫、乳狀液如蛋黃醬，或者還有濃縮表面活性劑如香波的各種相。這些流體一般通過(guò)混合不同組分得到，所述組分比如是油、水、表面活性劑、聚合物或者還有酒精。
在這種情況下，配方工程師必須制定出配方，該配方是有效的(比如，在香波的情況下，具有洗滌功能(lavante))，但所述配方同時(shí)應(yīng)是隨時(shí)間穩(wěn)定的，易操作的，且具有令消費(fèi)者舒適的質(zhì)地。為此，掌握這些配方的流變特性是必要的，以便能夠調(diào)整之。實(shí)際上，考慮到這些性質(zhì)對(duì)所考慮的流體的制造過(guò)程、泵送過(guò)程和混合過(guò)程具有直接的影響，這些性質(zhì)是相當(dāng)重要的。
正如公知的，在簡(jiǎn)單流體比如水的情況下，黏度和作用于該流體的剪切率(taux de cisaillement)無(wú)關(guān)。這種流體于是稱為牛頓流體。
對(duì)于復(fù)雜流體情況則不同，復(fù)雜流體的特征在于存在介于分子尺度和樣本尺度之間的中間尺度級(jí)(échelle de taille intermédiaire)。所述尺度級(jí)比如為乳狀液中的液滴的尺度或者還有泡沫中的泡的尺度。
這些稱為非牛頓流體的復(fù)雜流體的黏度易于在作用于其上的應(yīng)力增大時(shí)產(chǎn)生變化。這些流體的流變響應(yīng)因而不是黏度的唯一系數(shù)，而是稱為流動(dòng)曲線(流變曲線)的響應(yīng)曲線。流動(dòng)曲線代表應(yīng)力隨剪切率的變化，該曲線的局部斜率為對(duì)應(yīng)于所考濾的剪切率的黏度。
為調(diào)整配方的黏度，通常加入增稠劑，比如聚合物或者鹽的溶液，或者加入膠凝劑，其例如是聚合物或者蛋白質(zhì)。為了精確確定該黏度值，通常制備組分變化的不同混合物。其力學(xué)性質(zhì)接著利用公知為流變計(jì)的合適的儀器進(jìn)行測(cè)量。
一種此類的流變計(jì)比如是由TA INSTRUMENTS生產(chǎn)的，商品名為AR1000N。其包含兩同軸圓柱體，所述圓柱體限定了一中間空間，所述空間中加入希望確定其流變性質(zhì)的流體。
一力偶通過(guò)一電動(dòng)機(jī)作用于內(nèi)圓柱體上。在這種情況下，這涉及測(cè)量所述電動(dòng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)速，可以理解，所述轉(zhuǎn)速越大，所述流體的黏度越小。
不過(guò)，所述流變計(jì)的使用也帶來(lái)一定的不足。
首先，其導(dǎo)致流體的高消耗，因?yàn)槊看螠y(cè)量要求使用一難以忽略的量的組分，一般介于5到30立方厘米之間。而且，所述流變計(jì)的操作比較令人厭煩，因?yàn)槊看螠y(cè)量都相應(yīng)地要制備待測(cè)量的樣品。
另外，一般地，工業(yè)界持續(xù)存在開發(fā)新產(chǎn)品的需求，所述新產(chǎn)品具有新性質(zhì)，比如新的化合物或者包含新化學(xué)產(chǎn)品的新組分和/或與化學(xué)產(chǎn)品的新組合。所述新產(chǎn)品的流變學(xué)特性對(duì)于許多的應(yīng)用是很重要的，要求經(jīng)常地在研究開發(fā)過(guò)程中測(cè)試。存在對(duì)加速所述研究開發(fā)過(guò)程的方法和設(shè)備的需求，比如測(cè)試更大數(shù)量的產(chǎn)品和/或?qū)Ω〉牧康漠a(chǎn)品實(shí)施測(cè)試，和/或更快地實(shí)施測(cè)試。
明確了了上面這些后，本發(fā)明致力于彌補(bǔ)上面所述的現(xiàn)有技術(shù)的各種不足和/或滿足上面所述的需求。
特別地，本發(fā)明致力于實(shí)施一方法，所述方法可以使用極少量的流體確定該流體的流變特性。其尤其致力于這樣一種方法，所述方法可以得到和現(xiàn)有技術(shù)中的流變計(jì)相同的性質(zhì)。
本發(fā)明還致力于提出一體積小且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的設(shè)備，所述設(shè)備借助有限數(shù)量的外部?jī)x器可以實(shí)施該方法。
為此，本發(fā)明的目的在于一種確定未知流體的流變特性的方法，所述方法包含以下步驟讓基準(zhǔn)流體(fluide étalon)和所述未知流體在流動(dòng)微槽中平行流動(dòng)，所述基準(zhǔn)流體的流變特性已知，所述未知流體的流變特性待確定；在所述并行流動(dòng)中，識(shí)別表示所述兩流體之間的界面的數(shù)據(jù)；和基于所述或者每個(gè)識(shí)別的數(shù)據(jù)，確定所述未知流體的流變特性。
本發(fā)明的目的還在于實(shí)施如上所述的方法的設(shè)備，所述設(shè)備包含確定所述未知流體的流變特性的裝置，所述裝置包含主體，其尤其形成板狀；流動(dòng)微槽，設(shè)置于所述主體中，適于接納所述未知流體和所述基準(zhǔn)流體的平行流動(dòng)；將所述兩流體引入所述流動(dòng)微槽中的引入部件；在所述平行流動(dòng)中，識(shí)別表示所述兩流體之間的界面的數(shù)據(jù)的識(shí)別部件；和基于所述或者每個(gè)識(shí)別的數(shù)據(jù)，確定所述未知流體的流變特性的確定部件。
最后，本發(fā)明的目的還在于一種識(shí)別尤其具有令人感興趣的流變性質(zhì)的化合物、化合物的組合或者混合物的方法，所述方法包含以下步驟a)制備至少兩種不同的產(chǎn)品、組合或者混合物；b)通過(guò)如上所述的方法和/或借助于如上所述的設(shè)備測(cè)量至少一種流變特性；c)識(shí)別具有令人感興趣的流變性質(zhì)的產(chǎn)品、組合或者混合物。
下面將參考僅作為非限定性的例子給出的附圖描述本發(fā)明，附圖包括

圖1為一正視圖，其簡(jiǎn)要示出了本發(fā)明給出的流體流變特性的確定設(shè)備；圖1A為放大正視圖，其更具體地示出了圖1所示的設(shè)備的接合區(qū)域(Zone de jonction)；圖2為一大比例尺正視圖，其示出了圖1所示的設(shè)備的一區(qū)域內(nèi)兩流體的平行流動(dòng)；圖3為一曲線圖，其示出了在實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施方案一種變型時(shí)，圖1所示的設(shè)備內(nèi)流動(dòng)的兩流體的速度場(chǎng)；圖4為一類似于圖2的大比例尺正視圖，其示出了圖3所示的方案付諸實(shí)施時(shí)兩流體的流動(dòng)；圖5A和圖5B為類似于圖2和圖4的大比例尺正視圖，其示出了本發(fā)明給出的設(shè)備內(nèi)流動(dòng)的兩流體的速度場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果；圖6為類似于圖3的曲線圖，其示出了根據(jù)圖5A和圖5B所示的步驟測(cè)量的兩流體的速度場(chǎng)；圖7到圖14為曲線圖，其示出了將本發(fā)明給出的方法付諸實(shí)施的實(shí)施例1到8的結(jié)果，所述方法可以確定流體的流變特性。
如圖1所示，本發(fā)明給出的設(shè)備首先包含混合裝置，所述裝置整體上被標(biāo)注為1。該混合裝置包含主體2，所述主體形成為板狀，并可以公知的方式用PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)制成。
所述板2的典型長(zhǎng)度為60毫米，典型寬度為40毫米，典型厚度為4毫米。根據(jù)現(xiàn)有方法的傳統(tǒng)工藝，板上刻有不同的微槽。以公知的方式，未示出的玻璃板通過(guò)粘合方式被添加到所述PDMS板2的上面，以封閉所述微槽的上表面。
本發(fā)明所要實(shí)現(xiàn)的所述微槽的特征尺寸介于十幾微米和毫米之間。典型地，該尺寸在所述微槽內(nèi)產(chǎn)生大致層狀流，其雷諾數(shù)小于1。作為指示，為了說(shuō)明所述微槽的實(shí)現(xiàn)和性質(zhì)，可以參見StéphaneCOLIN的著作，《微流體》(微系統(tǒng)系列EGEM論文)(Microfluidique(Traité EGEM série microsystème))，HermèsScience Publications版。
更確切地，首先準(zhǔn)備兩種組分的兩條引入微槽4和6，所述微槽在圖1上水平延伸。每條微槽和入口8和10相關(guān)聯(lián)，并適于接納管道12或14的第一端，所述管道的另一端和注入器16或18相連。受每個(gè)注入器支配的組分流量另外還借助于注入器活塞(pousse-seringue)20或22來(lái)控制。
所述板2還挖有微槽24，其可以引入氣體，比如空氣。類似上面所述的，所述微槽24和入口26，管道28及壓力計(jì)30相聯(lián)。在下面不再詳細(xì)描述這些不同的且公知類型的力學(xué)(機(jī)械)部件8到22以及26到30。
所述兩微槽4和6首先匯為在圖1上的豎直的中間微槽32，所述微槽32本身和所述微槽24相連通。在所述接合區(qū)域的下游，還形成了稱為混合微槽的微槽34。注意到，所述微槽34配設(shè)有連續(xù)的褶(replis)341，所述褶形成了曲折，它們的壁構(gòu)成了障礙物，所述障礙物可以混合所述組分，這在后面將有詳細(xì)和說(shuō)明。所述混合微槽34的下游端通向出口36。
圖1所示的設(shè)備除了所述混合裝置1還包含補(bǔ)充裝置101，所述裝置101可以確定流體的流變特性，如下面所述。所述確定裝置101首先包含板102，類似于上面所述的2，在所述板上刻有不同微槽，如之后所述。如同所述混合裝置1的情況，所述PDMS板102和未示出的玻璃板相結(jié)合，所述玻璃板可以封閉所述微槽的上部。
所述板102首先包含第一微槽也就是上游微槽104，所述微槽在圖1上水平延伸。所述微槽104和入口108相聯(lián)，所述入口通過(guò)管道112和所述混合裝置1的出口36相連通。
所述板102還備有同樣水平的第二上游微槽106，所述微槽和入口110相聯(lián)。該入口通過(guò)管道114和注入器118相連通，所述注入器的流量借助注入器活塞122控制。
注意，可以備有多個(gè)補(bǔ)充注入器，所述注入器和對(duì)應(yīng)的注入器活塞相聯(lián)，可以通過(guò)所述管道114向所述入口110中輸送其他類型的流體。在這點(diǎn)上，不同注入器之間的變換可以自動(dòng)進(jìn)行。其控制以公知的方式由計(jì)算機(jī)保證。
所述兩上游微槽104和106交匯于一接合區(qū)域124，所述區(qū)域形狀為漏斗狀，這詳細(xì)圖示于圖1A中。更確切地，所述區(qū)域124的橫截面S朝下游方向(即和前述的兩微槽104和106相反的方向)減小。
所述接合區(qū)域124和在圖1上豎直的微槽126相連通，該豎直微槽稱為流動(dòng)微槽。該流動(dòng)微槽的下游端和出口128相連通，所述出口比如和未示出的管道相聯(lián)，所述管道可以排出廢液。
根據(jù)本發(fā)明，各微槽4、6、24、32、34、104，106和126的通道截面有利地介于20到500微米之間，優(yōu)選地介于50到200微米之間。
本發(fā)明給出的設(shè)備還配設(shè)有攝像機(jī)200，所述攝像機(jī)通過(guò)線204和計(jì)算機(jī)202相連。所述攝像機(jī)以公知的方式和顯微鏡相關(guān)聯(lián)，以使其光束201適于顯示所述流動(dòng)微槽126的一區(qū)域。所述區(qū)域稱為顯示區(qū)域，在圖1上由虛線表示，并標(biāo)注為Z。
上面所述的圖1所示的設(shè)備的實(shí)施將在后面闡明。
根據(jù)本發(fā)明，希望特別是通過(guò)所述顯示區(qū)域Z的光學(xué)辨識(shí)(lecture optique)確定稱為未知流體的流體的流變特性。為此，所述未知流體首先通過(guò)混合兩組分在所述混合裝置1中配制。
所述兩組分按照由所述注入器活塞20和22控制的流量在所述微槽4和6中流動(dòng)。在這點(diǎn)上，流量的典型范圍比如為1微升每小時(shí)到100毫升每分鐘。
接著，所述兩組分以總體上平行流動(dòng)的方式在所述中間微槽32中流動(dòng)。必須注意到，在所述微槽32中，考慮到所述微槽的性質(zhì)本身，特別是其極小的截面，所述兩組分之間基本上不存在混合。
而且，讓空氣在所述微槽24中循環(huán)，以生成氣泡。氣泡在所述混合微槽34中兩組分的平行流動(dòng)中產(chǎn)生擾動(dòng)。因?yàn)樗鑫⒉?4配設(shè)有褶341，所述褶在前述流動(dòng)中造成了碰撞，所以這些擾動(dòng)更大。
結(jié)果，在所述出口36獲得充分混合的流體，所述流體的組成借助于從所述微槽4和6運(yùn)送出來(lái)的各組分各自的流量信息可以很好地確定。在這點(diǎn)上要強(qiáng)調(diào)的是，所述未知流體的組成可以通過(guò)前述的由所述微槽4和6運(yùn)送的流量的簡(jiǎn)單變化而極簡(jiǎn)單地加以改變。
同樣注意到，空氣連同所述PDMS的使用是有利的。實(shí)際上，考慮到該材料對(duì)空氣而言是多孔的，氣泡的尺寸隨著氣泡在所述混合微槽34中的前進(jìn)而趨于減小，從而空氣可以逐步通過(guò)所述PDMS膜逸出。
因此，通過(guò)合適地調(diào)整空氣流量和所述微槽的長(zhǎng)度，可以獲得混合良好、基本上不含空氣泡的流體。于是，之后對(duì)所述流體流變特性的確定不會(huì)由于可能存在氣體而被干擾。
作為一種變型，可以組合使用不同于空氣和PDMS的混合氣體和板的組成材料。作為非限制性的例子，可以有氮?dú)?，氮?dú)饣蛘邭鍤狻?br> 作為未圖示的變型，為了得到所述未知流體，待混合的組分的個(gè)數(shù)可以大于2。從這個(gè)角度看，用補(bǔ)充組分在所述混合微槽的入口或者出口處重復(fù)上面所述的混合過(guò)程。
還要注意到，所述混合裝置1可以不同于氣泡混合器。在這種情況下，其可以涉及其它任何以公知的方式有利于述可溶混流體間的接觸區(qū)域的增大的裝置。作為非限制性的例子尤其可以考慮在所述微槽中設(shè)置人字紋(chevron)，或者在所述流動(dòng)中產(chǎn)生脈動(dòng)(pulsation)。
所述混合裝置1中配制的未知流體于是通過(guò)所述管道112引入所述微槽104的入口108。而且，在另一上游微槽106中讓流變特性完全已知的基準(zhǔn)流體流動(dòng)。所述兩流體，分別是未知流體和基準(zhǔn)流體，于是在所述微槽126中流動(dòng)。
如上面所述，微槽中的流基本上是層流。在這種情況下，前述兩流體將在所述微槽126中平行流動(dòng)。不過(guò)，采取一定措施從而保持所述流動(dòng)的平行性質(zhì)是有利的。
為此，在可溶混流體的情況下，所述接合區(qū)域124的漏斗形幾何形狀是有利的。而且，可以在所述基準(zhǔn)流體中加入表面活性劑，這有利于所述流動(dòng)的平行特點(diǎn)而不改變所述未知流體的組成。
下面首先描述為確定所述未知流體的流變特性的本發(fā)明的第一種實(shí)施方式。
為此，借助所述攝像機(jī)200顯示所述微槽126的區(qū)域Z，如圖2所示。在該區(qū)域上，可以看到所述流動(dòng)微槽126的一部分，其壁標(biāo)注為1261。另外，將所述未知流體和所述基準(zhǔn)流體分別標(biāo)注為F1和F2。最后，將所述流體間的界面標(biāo)注為I。前面已說(shuō)過(guò)，所述流體按并行流的方式前進(jìn)。
因此，這涉及測(cè)量所述未知流體F1的流寬度l。另外，將所述微槽126在所述顯示區(qū)域Z處的寬度標(biāo)注為L(zhǎng)。
在所述未知流體為牛頓流體即其黏度和所施加的剪切率無(wú)關(guān)的情況下，應(yīng)用下面的方程。
首先，所述槽的主軸標(biāo)注為x軸，y和z為其橫軸(見圖1A)。換句話說(shuō)，y對(duì)應(yīng)所述槽的寬度，z對(duì)應(yīng)其深度，(x，y，z)構(gòu)成了正交坐標(biāo)系。
存在平行流動(dòng)時(shí)，速度場(chǎng)只有沿所述槽的x軸方向的唯一分量。在這種情況下，所述速度矢量寫作vi→=ui(x,y,z)ex→.]]>在上面及后續(xù)的方程中，下標(biāo)i代表值1和2，分別對(duì)應(yīng)所述未知流體和所述基準(zhǔn)流體。
所述流體的不可壓縮性得出了下面的方程(1)(1)∂u∂x(x,y,z)=0]]>Navier-Stocks方程寫成如下的(21)，(22)和(23)(21)∂Pi(x,y,z)∂x=ηi(∂2u(y,z)∂2y+∂2u(y,z)∂2z)]]>(22)∂Pi∂y(x,y,z)=0]]>(23)∂Pi∂z(x,y,z)=0]]>考慮到所述速度場(chǎng)只有沿x方向的軸向分量，可以將方程(3)寫成(3)Pi(x，y，z)＝(Pi-出口)*x＝Pi-入口*(Ｌ-x))/L在上面的方程(2)和(3)中，Pi代表每種流體的壓強(qiáng)，從而所述壓強(qiáng)的導(dǎo)數(shù)對(duì)應(yīng)沿x、y或z方向之一的壓頭損失(perte de charge)。另外，方程(2)中，η代表黏度(黏性系數(shù))。
設(shè)Qi為每種流體的流量，可以根據(jù)下面的方程(4)將所述流量寫成速度的函數(shù)(4)Qi＝∮ui(y，z)dydz同樣給出關(guān)于所述兩流體間界面I上的速度連續(xù)性的方程(5)(5)u1＝u2
最后，給出關(guān)于作用于所述界面I的力的連續(xù)性的方程(6)(6)η1γ1＝η2γ2這里，γi對(duì)應(yīng)于所施加的剪切率。
上面給出的方程(1)到(6)屬于六個(gè)未知數(shù)六個(gè)方程的方程組，本發(fā)明提出用數(shù)字方式解所述方程組。
為此，首先，這涉及實(shí)施計(jì)算機(jī)202采集階段，在所述計(jì)算機(jī)中納入大量的六值數(shù)據(jù)組(ΔP，η1，η2，l，Q1，Q2)，其中ΔP代表所述兩流體平行流動(dòng)處的壓強(qiáng)梯度，η1和η2分別代表所述未知流體和所述基準(zhǔn)流體的黏度，l代表上面所述的未知流體的流寬度，和Q1和Q2分別代表所述未知流體和所述基準(zhǔn)流體各自的流量。
另外注意到，所述基準(zhǔn)流體F2的黏度和所述兩流量Q1和Q2是已知的。
在這種情況下，借助所述攝像機(jī)200測(cè)量所述寬度l，從所述計(jì)算機(jī)采集階段獲得所述AP值以及所述未知流體的黏度η1。作為未圖示的變型，可以借助所述攝像機(jī)200測(cè)量對(duì)應(yīng)于所述基準(zhǔn)流體F2流的寬度(L-l)，從而得到l，然后得到ΔP和η1。
注意到，在某些情況下，圖2、4、5A和5B所示的界面I不是豎直的。因此，對(duì)于某些不可溶混流體，流動(dòng)可以采用一種流體(未知流體或者基準(zhǔn)流體)向另一種流體(基準(zhǔn)流體或者未知流體)中噴射的形式。和前面相同，所述流動(dòng)的幾何特性尤其通過(guò)光學(xué)手段測(cè)量，而借助數(shù)字程序?qū)α鲃?dòng)進(jìn)行分析。
在所述未知流體為非牛頓流體即其黏度和作用的剪切率相關(guān)的情況下，上面所述的方程(2)先驗(yàn)地不再適用。
在這種情況下，這涉及將所述非牛頓流體與在相同的操作條件下牛頓流體具有的黏度相關(guān)聯(lián)，所述相同的操作條件即相同的流量、相同的基準(zhǔn)流體黏度和相同的界面位置。同樣地，這涉及通過(guò)利用牛頓流體在相同的實(shí)驗(yàn)條件下所受剪切率來(lái)確定作用于所述非牛頓流體上的剪切作用。
實(shí)際操作中，減小所述未知流體和所述基準(zhǔn)流體的流量比，以使所述流動(dòng)微槽126中的未知流體的寬度l減小。有利的是，減小所述流量比直到所述寬度l介于所述微槽126的總寬度L的5％到20％之間，特別是在大約10％附近。
在這種情況下，所述未知流體和所述基準(zhǔn)流體各自的速度分布如圖3所示。圖3上顯示了速度v隨橫軸坐標(biāo)或者所述微槽的寬度y的變化?？梢钥吹?，所述未知流體的速度分布由界面I左邊的部分C1顯示，總體對(duì)應(yīng)于一條直線，C2部分對(duì)應(yīng)所述基準(zhǔn)流體。
對(duì)于黏度是所述基準(zhǔn)流體的至少5倍的未知流體，這些同樣適用于流動(dòng)為噴射方式的情況。
所述未知流體的速度分布的斜率因此而基本恒定，所述剪切率也一樣。因此，方程(21)和(23)中所述未知流體的黏度η1同樣是恒定的。因此，可以運(yùn)用這些方程。
因此，在牛頓流體的情況下，可以用同于上面闡述的方式確定所述未知流體的黏度。因此，如圖4所示，精確測(cè)量所述寬度l，上面已經(jīng)看到，該寬度有利的是小于所述總寬度L的20％。接著，借助上面闡明的數(shù)字方法得出所述未知流體的黏度。
下面描述確定所述未知流體的流變特性的本發(fā)明的第二種實(shí)施方式。為此，首先這涉及確定所述兩流體沿所述微槽的y軸即所述微槽的寬度方向的速度場(chǎng)。將微粒分散在所述兩流體中，借助所述攝像機(jī)200確定其前進(jìn)的速度。
所述微粒的典型大小介于1到4微米之間，在含水相情況下例如是膠乳(latex)小球，或者，在油相情況下例如是黑色素(mélanine)小球?？紤]到其大小和其光學(xué)指數(shù)，通過(guò)所述攝像機(jī)200是很容易識(shí)別所述微粒的。
圖5A和圖5B上，以和結(jié)合圖2中所描述的方式類似的方式示出了所述微槽126的區(qū)域Z。于是可以看到所述微槽126的壁1261，所述未知流體和F1和F2以及所述兩流體間的界面I。為了說(shuō)明的簡(jiǎn)明，假設(shè)分散了8個(gè)微粒P1到P8，即在每種流體中各4個(gè)，當(dāng)然實(shí)際操作中使用的微粒數(shù)遠(yuǎn)大于此。
圖5A和圖5B對(duì)應(yīng)不同的觀測(cè)時(shí)刻，可以顯示前述微粒的位移。所述微粒對(duì)應(yīng)的速度于是等于每個(gè)微粒的位移值和分隔兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的時(shí)間段t的比值。注意到，在所考查的例子中，所述微粒P6和P7速度最大，而所述微粒P1和P8速度最小。
在這種情況下，可以獲得圖6所示的所述兩流體沿y軸方向的速度分布。于是，在橫軸上獲得y坐標(biāo)，在縱軸上獲得速度v及所述界面I的位置。曲線C’1和C’2分別關(guān)于所述未知流體F1和基準(zhǔn)流體F2。
這涉及應(yīng)用前面所述關(guān)于作用于所述界面I的力的連續(xù)性的方程(6)，回顧一下，其寫成(6)η1γ1＝η2γ2如圖6所示，于是用數(shù)字方法確定所述界面I兩側(cè)的曲線的切線，所述切線標(biāo)注為T1和T2。于是，這可以獲得兩個(gè)剪切率γ1和γ2，考慮到所述基準(zhǔn)流體的黏度η2已知，因此而得出所述未知流體的黏度η1。
上面所述的兩種實(shí)施方式可以得到所述未知流體的黏度。必須強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明還可以通過(guò)改變所述剪切率得到所述未知流體的流動(dòng)曲線(流變曲線)，特別是在所述流體是非牛頓流體時(shí)。
為此，首先可以改變和至少所述未知流體的流動(dòng)相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)，如有必要，也可改變和所述基準(zhǔn)流體的流動(dòng)相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)。在這種情況下，流量的增大導(dǎo)致剪切率的相應(yīng)變化。
另外，在參考圖5和圖6描述的第二種實(shí)施方式的情況下，同樣可以改變測(cè)量所述速度場(chǎng)的位置。于是，在實(shí)際操作中，這等于是改變?cè)谒鑫⒉壑袑?shí)施測(cè)量的深度z的值。因此，該測(cè)量越接近所述微槽的底部，所述剪切率越小。相反地，遠(yuǎn)離所述微槽的底部的過(guò)程中，所述剪切率趨于增大。
本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)前面所述的目的。實(shí)際上，本發(fā)明可以借助極少量流體的使用以簡(jiǎn)單的方式確定流體的流變特性。另外，本發(fā)明給出的設(shè)備相對(duì)于由流變計(jì)構(gòu)成的現(xiàn)有技術(shù)來(lái)說(shuō)意味著操作次數(shù)的顯著減少。
而且，微槽的使用可以通過(guò)所述未知流體的組分的流量變化以極簡(jiǎn)單的方式改變所述未知流體的組成。同樣要注意到，本發(fā)明給出的設(shè)備的總體體積較現(xiàn)有技術(shù)中是公知流變計(jì)小很多。
同樣要強(qiáng)調(diào)，本發(fā)明允許深入了解待研究流體的流變行為。因此，本發(fā)明不僅可以獲得所述流體的黏度而且可以獲得所述流體的流動(dòng)曲線(流變曲線)。在這種情況下，本發(fā)明給出的設(shè)備具有和流變計(jì)類似的性能，且強(qiáng)于粘度計(jì)，特別是就其允許研究復(fù)雜流體而言。
光學(xué)手段的使用同樣是有利的。實(shí)際上，這使本發(fā)明給出的設(shè)備變得大為簡(jiǎn)單。
也可以使用其它的技術(shù)測(cè)量所述界面的特性，比如使用電導(dǎo)率。
最后，使用不可溶混的未知流體和基準(zhǔn)流體同樣是有利的。實(shí)際上，這可以增大旨在確定所述未知流體的流變特性的操作的精度。相比較而言，可溶混流體趨向于通過(guò)擴(kuò)散而混合，從而所述黏度測(cè)量是不準(zhǔn)的。
下面描述應(yīng)用本發(fā)明的各種例子。這些不同的例子只應(yīng)用了所述確定裝置101，而不使用所述混合裝置1。
假設(shè)所述微槽104、106和126的截面約100微米。而且，所述上游微槽104和106的長(zhǎng)度接近4毫米，而所述流動(dòng)微槽126的長(zhǎng)度約20毫米。最后，所述接合區(qū)域124的形狀為圓錐狀，錐頂角約為30°，其橫截面S在和所述微槽104和106的接合處約為400微米。
例1所述未知流體為甘油，而所述基準(zhǔn)流體為水，實(shí)驗(yàn)在25℃下完成。為了繪出所述流動(dòng)曲線，甘油的流量從1微升每小時(shí)變到10000微升每小時(shí)，而水的流量從1微升每小時(shí)變到10000微升每小時(shí)。對(duì)應(yīng)每個(gè)值，測(cè)量了甘油流的寬度1。這可以得到下面顯示于圖7的曲線，其示出了應(yīng)力隨剪切率的變化。
這條曲線可以驗(yàn)證甘油的牛頓流體行為，即應(yīng)力隨剪切作用的線性變化。這條直線的梯度(coefficient directeur)可以得到所述黏度，并給出了一實(shí)驗(yàn)值877cp，所述實(shí)驗(yàn)值可與理論值890cp相比擬，誤差小于2％。
例2所述未知流體為十六烷(hexadécane)，而所述基準(zhǔn)流體為水?？紤]到所述兩流體不可溶混，往水中加入臨界膠體濃度(concentrationmicellaire critique)的十二烷基硫酸鈉(SDS，sodium dodécyl sulfate)。該表面活性劑的加入有利于水和十六烷的平行流動(dòng)。
十六烷以從1微升每小時(shí)到10000微升每小時(shí)的流量進(jìn)入所述裝置101中，而水也以介于1微升每小時(shí)和10000微升每小時(shí)之間的流量進(jìn)入。對(duì)應(yīng)每個(gè)流量值，測(cè)量了所述界面I的位置，即十六烷的流寬度l。這可以得到十六烷在25℃下的流動(dòng)曲線，如之后圖8所繪。
如同甘油的情況，所述實(shí)驗(yàn)曲線令人滿意地示出了十六烷的牛頓流體行為。測(cè)得的黏度為2.1cp，這和介于2.2cp和2.3cp之間的理論數(shù)據(jù)很吻合。
例3配制大膠束(micelles géantes)溶液，其形成了一種未知非牛頓流體。所述標(biāo)注為膠束1的溶液為6％的CpCI-NaSal。另外，使用兩種基準(zhǔn)流體，分別是20cp和300cp的硅油。對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)在25℃的室溫下完成。
膠束1的流量介于120微升每小時(shí)到10000微升每小時(shí)之間，而基準(zhǔn)流體的流量介于1微升每小時(shí)和10000微升每小時(shí)之間。考慮到所述未知流體為非牛頓流體，使得其流寬度l小于所述微槽總寬度的大約20％。如此實(shí)驗(yàn)而得的流動(dòng)曲線如之后附圖9所繪。
例4用8％的CpCI-NaSal膠束重復(fù)例3所實(shí)施的相同方案，所述膠束標(biāo)注為膠束2。對(duì)應(yīng)的流動(dòng)曲線如之后附圖10所繪。
在示出例3和例4的圖上可以看到，實(shí)心符號(hào)對(duì)應(yīng)流變計(jì)得到的結(jié)果，而空心符號(hào)對(duì)應(yīng)于實(shí)施本發(fā)明給出的設(shè)備得到的結(jié)果。所述兩流動(dòng)曲線說(shuō)明了大膠束的流變流體化(rhéofluidifiant)行為。另外，與傳統(tǒng)流變計(jì)給出的結(jié)果的一致性是令人滿意的。
例5用摩爾質(zhì)量為4000 000的聚環(huán)氧乙烷(polyoxyde d’éthylène)聚合物分別配制按質(zhì)量4％和2％的溶液。所述溶液形成了一種未知非牛頓流體的流體，并和作為基準(zhǔn)流體的20cp的硅油相組合。
實(shí)施和實(shí)施例3相同的方案，對(duì)應(yīng)的流動(dòng)曲線如之后附圖11所繪。在圖11上，不同的十字符號(hào)對(duì)應(yīng)于應(yīng)用本發(fā)明給出的設(shè)備實(shí)施的測(cè)量，而圓圈對(duì)應(yīng)于現(xiàn)有技術(shù)的流變計(jì)進(jìn)行的測(cè)量。實(shí)心圓圈對(duì)應(yīng)于按質(zhì)量4％的溶液，而空心圓圈對(duì)應(yīng)于按質(zhì)量2％的溶液。
針對(duì)該實(shí)驗(yàn)，所述微槽刻在PDMS板上，所述板上添加玻璃板，就像結(jié)合圖1所描述的例子那樣。溫度等于24℃。
例6用一種未知流體重復(fù)例5所實(shí)施的相同方案，所述未知流體為硅油在水中的多分散乳濁液(émulsion polydisperse)，而所述基準(zhǔn)流體為黏度100cp的硅油。在附圖12上，十字符號(hào)對(duì)應(yīng)實(shí)施本發(fā)明給出的設(shè)備得到的量結(jié)果，而圓圈對(duì)應(yīng)商品流變計(jì)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
例7用一種未知流體重復(fù)例5所實(shí)施的相同方案，所述未知流體為商品蛋黃醬，而所述基準(zhǔn)流體為黏度100cp的硅油。在附圖13上，十字符號(hào)對(duì)應(yīng)于實(shí)施本發(fā)明給出的類似于例5和例6的設(shè)備進(jìn)行的測(cè)量，而圓圈對(duì)應(yīng)商品流變計(jì)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。
注意到，在示出例5到例7的圖11到圖13上，傳統(tǒng)流變計(jì)給出的結(jié)果和實(shí)施本發(fā)明得到的結(jié)果的一致性是極其令人滿意的。另外，所述例5到7突出了本發(fā)明可以應(yīng)用于極其不同的各種流體，且本發(fā)明還可以得到具有非常小的值的黏度和剪切率。
例8使用類似例3的大膠束溶液，即膠束1。另外，還應(yīng)用相同的兩種基準(zhǔn)流體，實(shí)驗(yàn)按和例3類似的方案完成。
和例3的主要不同在于更小的膠束流量，該流量在此后介于1微升每小時(shí)和10000微升每小時(shí)之間，而基準(zhǔn)流體的流量介于1微升每小時(shí)和10000微升每小時(shí)之間。這可以得到特別低的黏度值和剪切率。
應(yīng)用本發(fā)明的另一設(shè)備進(jìn)行了本發(fā)明的一系列測(cè)量，所述設(shè)備不同于前述例子的設(shè)備。實(shí)際上，在該設(shè)備中，所述微槽不刻于PDMS上，而刻于玻璃板上。在玻璃板上再安裝另一玻璃板，添加于所述微槽上。
在附圖14上，十字符號(hào)對(duì)應(yīng)現(xiàn)有技術(shù)的流變計(jì)的測(cè)量結(jié)果，而實(shí)心圓圈對(duì)應(yīng)上面所述的玻璃-玻璃板的測(cè)量結(jié)果。
觀察到，即使對(duì)于極低的剪切率值，考慮到其和傳統(tǒng)流變計(jì)得到的結(jié)果極其令人滿意的一致性，這種利用刻在玻璃上的微槽的解決方案也是特別有利的。這說(shuō)明，為了確定強(qiáng)親水性的流體的流變特性，所述利用玻璃的解決方案是特別有利的。
實(shí)際上，在親水流體的情況下，所述流體即使對(duì)于極小流動(dòng)流量也基本上不易在玻璃璧附近形成耗盡層(couche de dépletion)。換句話說(shuō)，借助玻璃的使用，所述未知流體沿槽的寬度方向不存在顯著的濃度梯度，這就不會(huì)扭曲測(cè)量結(jié)果。實(shí)際上，所述未知親水流體內(nèi)含有的水不傾向于顯著停滯于水流附近。
權(quán)利要求
1.一種確定未知流體(F1)流變特性的方法，包含以下步驟使流變特性已知的基準(zhǔn)流體(F2)和流變特性待確定的所述未知流體(F1)在流動(dòng)微槽(126)中平行流動(dòng)；在所述平行流動(dòng)中，識(shí)別表示所述兩流體(F1，F(xiàn)2)之間的界面(I)的至少一個(gè)數(shù)據(jù)；和基于所述或者每個(gè)識(shí)別的數(shù)據(jù)，確定所述未知流體的流變特性。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，表示所述界面(I)的所述或每個(gè)數(shù)據(jù)的識(shí)別包括所述界面及其附近(Z)的顯示步驟。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，識(shí)別所述界面(I)的位置。
4.按照權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，測(cè)量所述流動(dòng)微槽(126)中所述未知流體(F1)的流寬度(l)。
5.按照權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，基于所述測(cè)得的寬度(l)，運(yùn)用下述方程，以數(shù)字方式確定所述未知流體(F1)的黏度(η1)(1)∂u∂x(x,y,z)=0]]>(21)∂Pi(x,y,z)∂x=ηi(∂2u(y,z)∂2y+∂2u(y,z)∂2z)]]>(22)∂Pi(x,y,z)∂y=0]]>(23)∂Pi(x,y,z)∂z=0]]>(3)Pi(x，y，z)＝(Pi-出口*x＝Pi-入口*(L-x))/L(4)Qi＝∮ui(y，z)dydz(5)u1＝u2(6)η1γ1＝η2γ2。
6.按照權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述未知流體為非牛頓流體，將所述未知流體的寬度(l)限制為低于所述流動(dòng)微槽(126)的總寬度(L)的20％。
7.按照權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，通過(guò)增加所述基準(zhǔn)流體和所述未知流體之間的流量比來(lái)限制所述流的寬度(l)。
8.按照權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，確定所述界面(I)兩邊所述兩流體(F1，F(xiàn)2)的速度場(chǎng)。
9.按照權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，通過(guò)測(cè)量分散于所述流體中的微粒(P1-P8)的速度確定所述速度場(chǎng)。
10.按照權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，通過(guò)運(yùn)用所述界面(I)上的應(yīng)力場(chǎng)的連續(xù)性方程，尤其是η1γ1＝η2γ2，確定所述未知流體的黏度，這里η1和γ1代表所述未知流體的黏度和剪切率，而η2和γ2代表所述基準(zhǔn)流體的黏度和剪切率。
11.按照權(quán)利要求5或10所述的方法，其特征在于，基于所述黏度，通過(guò)變化所述剪切率，確定所述未知流體的流變曲線。
12.按照權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，改變至少所述未知流體流動(dòng)的至少一個(gè)參數(shù)，尤其是所述流量或所述壓強(qiáng)，從而改變所述剪切率。
13.按照權(quán)利要求8或9并結(jié)合權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，改變確定所述兩流體的速度場(chǎng)的位置，從而改變所述剪切率。
14.按照權(quán)利要求1到13之一所述的方法，其特征在于，所述未知流體和所述基準(zhǔn)流體不是可溶混的。
15.按照權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，往所述未知流體和所述基準(zhǔn)流體中的至少一個(gè)，尤其是所述基準(zhǔn)流體中加入至少一種表面活性劑組分，以避免在所述平行流動(dòng)中形成液滴。
16.按照前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，所述未知流體是至少兩種組分的混合物，且在使所述未知流體和所述基準(zhǔn)流體平行流動(dòng)之前混合所述至少兩種組分。
17.按照權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，將所述至少兩種組分引入混合微槽(34)中，所述混合微槽刻于易于吸收混合氣體的材料中，且將所述混合氣體引入所述混合微槽中。
18.按照權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述混合微槽刻于PDMS(聚二甲基硅氧烷)中，所述混合氣體為空氣。
19.實(shí)施按照前述權(quán)利要求之一所述的方法的設(shè)備，所述設(shè)備包含確定所述未知流體的流變特性的確定裝置(101)，所述確定裝置(101)包含形成尤其是板狀的主體(102)；流動(dòng)微槽(126)，設(shè)置于所述主體(102)中，適于接納所述未知流體和所述基準(zhǔn)流體的平行流動(dòng)；將所述兩流體引入所述流動(dòng)微槽的引入部件(104，106)；在所述平行流動(dòng)中，識(shí)別表示所述兩流體之間的界面(I)的至少一個(gè)數(shù)據(jù)的識(shí)別部件(200)；和基于所述或者每個(gè)識(shí)別的數(shù)據(jù)，確定所述未知流體的流變特性的確定部件(202)。
20.按照權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于，所述兩流體的引入部件包含第一(104)和第二(106)上游微槽，所述微槽通向所述流動(dòng)微槽(126)。
21.按照權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其特征在于，所述兩上游微槽(104，106)通過(guò)接合區(qū)域(124)和所述流動(dòng)微槽(126)相連，所述接合區(qū)域的截面(S)沿所述流動(dòng)微槽(126)方向減小，所述接合區(qū)域(124)尤其呈漏斗形狀。
22.按照權(quán)利要求19到21之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述識(shí)別部件包括攝像機(jī)(200)。
23.按照權(quán)利要求19到22之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述確定部件包括計(jì)算機(jī)(202)。
24.按照權(quán)利要求19到23之一所述的設(shè)備，用于實(shí)施權(quán)利要求16到18之一所述的方法，其特征在于，所述設(shè)備還包含混合裝置(1)，所述混合裝置包含尤其呈板狀的主體(2)，其由易于吸收混合氣體的材料制成；引入用于形成所述未知流體的組分的引入部件(4，6)；用于混合所述組分的混合微槽(34)；向所述混合微槽(34)中引入所述混合氣體的引入部件(24)；和出口(36)，所述出口和向所述流動(dòng)微槽(126)中引入所述未知流體的引入部件(104)相連通。
25.按照權(quán)利要求24所述的設(shè)備，其特征在于，所述組分的引入部件包含引入所述組分的引入微槽(4，6)，所述微槽通向所述混合微槽(34)。
26.按照權(quán)利要求24或25所述的設(shè)備，其特征在于，所述混合氣體的引入部件包含引入所述氣體的引入微槽(24)，所述微槽通向所述混合微槽(34)。
27.按照權(quán)利要求24到26之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述混合微槽34設(shè)有褶(341)，所述褶可以在所述組分的混合中產(chǎn)生碰撞，以利于組分的均勻化。
28.按照權(quán)利要求24到27之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述混合裝置(1)的主體(2)和/或所述確定裝置(101)的主體(102)由PDMS(聚二甲基硅氧烷)制成。
29.按照權(quán)利要求24到27之一并結(jié)合權(quán)利要求28所述的設(shè)備，其特征在于，所述混合氣體是空氣。
30.按照權(quán)利要求24到29之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述混合裝置(1)的主體(2)和所述確定裝置(101)的主體(102)是分離的。
31.按照權(quán)利要求19到27中的任意一條或者權(quán)利要求30所述的設(shè)備，其特征在于，所述流動(dòng)微槽由玻璃壁界定。
32.按照權(quán)利要求19到31之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述流動(dòng)微槽(126)和/或所述上游微槽(104，106)和/或所述混合微槽(34)和/或所述組分引入微槽(4、6)和/或所述混合氣體引入微槽(24)的橫截面介于20到500微米之間，優(yōu)選地介于50到200微米之間。
33.一種識(shí)別尤其具有有關(guān)流變性質(zhì)的化合物，化合物的組合或者混合物的方法，所述方法包含以下步驟a)制備至少兩種不同的產(chǎn)品、組合或者混合物；b)通過(guò)權(quán)利要求1到18之一所述的方法和/或借助于權(quán)利要求19到31之一給出的設(shè)備測(cè)量至少一種流變特性；c)識(shí)別具有有關(guān)流變性質(zhì)的產(chǎn)品、組合或者混合物。
34.按照權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，所述混合物、組合或者混合物為下述化合物、組合或者混合物用于涂覆的液體，比如油漆；用于油田或者氣田開發(fā)的流體，用于植物病害防治混合物的流體，用于皮膚或者頭發(fā)養(yǎng)護(hù)的流體，比如香波，沐浴露，化妝用品，皮膚養(yǎng)護(hù)乳，防曬產(chǎn)品，或者家居用流體，比如洗滌液，或者硬表面去污劑。
全文摘要
根據(jù)該方法，讓流變特性已知的基準(zhǔn)流體(F
文檔編號(hào)G01N11/04GK101072991SQ200580042181
公開日2007年11月14日 申請(qǐng)日期2005年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月10日
發(fā)明者安妮·科蘭, 卡爾德內(nèi)·克里斯拖巴爾, 皮埃爾·吉約, 馬修·讓尼科 申請(qǐng)人:羅狄亞化學(xué)公司, 國(guó)家科研中心