Способ определения значений параметров потока, обеспечивающих максимальную ориентацию вытянутых и пластинчатых нанообъектов вдоль потока жидкой среды

Изобретение относится к способам измерения вязкости жидких сред методом акустической спектроскопии и предназначено для определения значений параметров потока, обеспечивающих максимальную ориентацию вытянутых и пластинчатых нанообъектов вдоль ускоряющегося потока жидкой среды в дисперсиях, в том числе - непрозрачных и концентрированных, таких как дисперсии углеродных материалов.

Метод ускоряющегося потока предназначен для создания ориентации несферических частиц в потоке дисперсии, движущемся ускоренно по сужающемуся каналу. При изменении площади сечения в сужающемся канале возникает продольный градиент скорости потока, что приводит к возникновению некомпенсированных моментов сил вязкого трения, стремящихся развернуть частицы относительно направления потока.

Контроль ориентации несферических частиц при различных значениях параметров потока (скорость, степень сужения потока) производится по измерению продольной вязкости дисперсии, значение которой монотонно зависит от степени ориентации частиц.

Для измерения продольной вязкости применяется метод акустической спектроскопии в ускоряющемся потоке дисперсии несферических частиц. Метод акустической спектроскопии основан на явлении затухания (ослабления) ультразвукового сигнала на нанообъектах в жидкой среде при его прохождении через исследуемый образец дисперсии. Спектр затухания ультразвука зависит от ориентации нанообъектов по отношению к направлению ультразвуковой волны.

Известен ряд технических решений в виде устройств, предназначенных для ориентации несферических частиц в дисперсиях. В патентах US 5576617 [1] и WO 9416308 [2] описывается способ выравнивания частиц в форме пластин путем приложения к дисперсии электрического поля. В патенте US 20110076665 [3] аналогичный способ был применен для выстраивания нановолокон целлюлозы для последующей фабрикации микроволокон с повышенной прочностью. Недостатком технических решений, представленных в данных патентах, является невозможность пространственного совмещения камеры, в которой происходит выстраивание несферических частиц, с измерительным устройством, определяющим степень их ориентации, в том числе, посредством измерения вязкости.

Наиболее близким аналогом является способ измерения длины и объема частиц при контролируемой ориентации, описанный в патенте US 4290011 A [4]. Данный способ предполагает приложение электрического поля к образцам исследуемых дисперсий, протекающих через измерительную зону анализатора. Частицы, восприимчивые к действию электрического поля, в ответ формируют электрический сигнал, на основе которого определяется степень их ориентации по отношению к направлению потока. Предложенный способ имеет два недостатка: отсутствие возможности формирования ориентированного состояния частиц в дисперсии и применимость только к частицам, восприимчивым к действию электрического поля.

Прототипом изобретения является акустический анализатор, описанный в патенте US 6109098 [5], содержащий акустический измеритель, располагаемый в измерительной ячейке, и вычислительный блок для обработки измеренных акустических спектров, позволяющий рассчитать продольную вязкость исследуемых дисперсий. Для обеспечения точности измерений измерительная ячейка дополнительно обеспечена терморегулятором и измерителем температуры. Недостатком данного устройства, как и других известных акустических анализаторов, является отсутствие возможности ориентации несферических частиц в дисперсиях и возможности определения их степени ориентации.

Технической задачей, решаемой в представленном изобретении, является обеспечение определения значений параметров потока (скорости, степени сужения потока), обеспечивающих максимальную ориентацию вытянутых и пластинчатых нанообъектов вдоль потока в дисперсиях, в том числе - концентрированных и непрозрачных, посредством измерений затухания ультразвука на нанообъектах, ориентированных в потоке жидкой среды.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что способ определения значений параметров потока предполагает использование специальной измерительной ячейки в форме кольцевого канала переменного сечения, содержащей установленные в кольцевом канале акустический измеритель и побудитель ламинарного движения исследуемой жидкой среды, и отличается тем, что кольцевой канал дополнительно содержит участок плавного сужения сечения, в котором происходит ускорение входящей в него жидкой среды и ориентация несферических частиц вдоль направления потока жидкой среды и в котором установлен акустический измеритель, обеспечивающий измерения акустических спектров затухания ультразвука в дисперсиях несферических нанообъектов при их различной ориентации.

Возможны дополнительные варианты способа определения значений параметров потока, в которых целесообразно? чтобы:

- в устройстве измерения выполнялись в двух состояниях потока жидкой среды: с ориентированными по потоку и ориентированными перпендикулярно потоку пластинчатыми нанообъектами;

- в устройстве ориентация частиц происходила во вращающемся ламинарном потоке исследуемой жидкой среды.

При этом область ориентации нанообъектов в движущемся потоке пространственно совмещена с областью измерений. Акустический измеритель обеспечивает получение спектров затухания ультразвука на несферических нанообъектах при двух различных ориентациях в потоке жидкой среды. На основе спектров затухания ультразвука происходит расчет значений продольной вязкости при различных значениях параметров скорости потока и степени сужения сечения потока дисперсии. Полученные данные достаточны для определения значений параметров потока (скорости, степени сужения потока), обеспечивающих максимальную ориентацию вытянутых и пластинчатых нанообъектов вдоль потока в дисперсиях посредством вычислений.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена общая схема акустического анализатора для определения размеров и электрокинетического потенциала несферических наноразмерных частиц в жидких средах. Цифрами обозначены: 1 - кольцевой канал, 2 - участок плавного сужения сечения, 3 - акустический измеритель, 4 - побудитель движения жидкой среды. O-O и G-G - поперечное сечение канала кольцевого в основном участке и в области измерений на участке максимального сужения сечения соответственно. H - длина участка сужения сечения, H_G - длина области измерений в суженном сечении, D - внутренний диаметр канала кольцевого в основном сечении, b - ширина сечения канала кольцевого в области измерений на участке максимального сужения сечения.

На фиг. 2 представлена зависимость продольной вязкости дисперсии от скорости потока дисперсии в основном сечении канала кольцевого. η_∞ - асимптотическое значение продольной вязкости, V_cr - критическое значение скорости потока.

На фиг. 3 представлена зависимость продольной вязкости дисперсии от степени сужения сечения потока (отношения площадей сечений потока в начале и в конце участка сужения потока S₀/S_G). η_∞ - асимптотическое значение продольной вязкости, (S₀/S_G)_cr - критическое значение степени сужения сечения потока.

Способ определения значений параметров потока, обеспечивающих максимальную ориентацию вытянутых и пластинчатых нанообъектов вдоль потока жидкой среды, реализуют с помощью схемы измерений, представленной на фиг. 1, следующим образом. Жидкую среду (дисперсию) с несферическими частицами для измерений заливают в измерительную ячейку 1 через устройство для залива. Дисперсию приводят в ламинарное движение в кольцевом канале со скоростью, достаточной для обеспечения ламинарного потока (для среды с вязкостью, близкой по значению к вязкости воды - со скоростью не более 20 мм/с) с использованием побудителя движения 4. В длинном участке кольцевого канала (в основном сечении диаметра D) формируется стационарный ламинарный поток при значениях числа Рейнольдса, не превышающих 500, и происходит предварительная ориентация частиц перед входом в участок плавного сужения сечения 2. Участок плавного сужения сечения выполнен в виде гибкой измерительной ячейки из силиконовой резины, имеющей крестообразную форму с 4-мя патрубками, два из которых служат для встраивания ячейки в замкнутый кольцевой канал основного круглого сечения с внутренним диаметром D. Два других[ патрубка служат для установки в них излучателя и приемника акустического измерителя 3 таким образом, чтобы их чувствительные поверхности были заподлицо с внутренней стенкой кольцевого канала. Расстояние между излучателем и приемником b, равное ширине просвета кольцевого канала в области сужения сечения, регулируют в диапазоне от 0,25 мм до 20 мм.

Зондирующая ультразвуковая (УЗ) волна распространяется от излучателя к приемнику акустического измерителя 3 перпендикулярно направлению потока дисперсии в суженном сечении измерительной ячейки. Измеряют коэффициент затухания ультразвуковой волны, прошедшей через измерительную ячейку шириной b, заполненную дисперсией. По измеренному коэффициенту затухания рассчитывают значение продольной вязкости дисперсии. Для обеспечения достаточной точности и повторяемости измерений температуру жидкой среды в канале стабилизируют с помощью термостата.

Измерение вязкости в дисперсиях производят следующим образом. Акустическим измерителем определяют амплитуды интенсивностей падающей I_in и прошедшей I_out через слой дисперсии толщиной b ультразвуковой волны с частотой ν, варьируемой в диапазоне от 1 до 100 МГц. На основе этих данных в вычислительном блоке производится расчет акустических коэффициентов затухания α ультразвука в дисперсии с частицами по формуле:

Величину продольной вязкости 77 рассчитывают в соответствии с законом Стокса из значения коэффициента затухания α (1), скорости звука с в дисперсии, плотности дисперсии ρ и частоты ультразвука ω=2πν:

Указанная величина продольной (вдоль направления распространения УЗ волны) вязкости дисперсии η изменяется при выстраивании несферических частиц дисперсной фазы вдоль потока дисперсии (то есть перпендикулярно направлению УЗ волны). При увеличении степени ориентации несферических частиц вдоль потока продольная вязкость монотонно уменьшается, асимптотически приближаясь к минимальному значению, соответствующему полной ориентации несферических частиц вдоль потока. Полное выстраивание несферических частиц (и, таким образом, достижение асимптотического значения продольной вязкости) невозможно, поскольку процесс разворота частиц носит стохастический характер, а также вследствие влияния Броуновского движения. Тем не менее, в большинстве практических задач не требуется полное выстраивание несферических частиц. В качестве примера реализации предлагаемого способа, критерием наступления максимальной ориентации частиц в потоке можно принять достижение состояния дисперсии, в котором ее продольная вязкость отличается от минимального асимптотического значения менее чем на 5%.

Для определения значений параметров потока, обеспечивающих максимальную ориентацию вытянутых и пластинчатых нанообъектов вдоль потока жидкой среды, на первом этапе фиксируют ширину зазора b, задавая площадь поперечного сечения канала в зоне измерений S_G (сечение G-G) значительно меньшей, чем площадь сечения входящего потока S₀=πD²/4 (сечение O-O). Таким образом, при течении дисперсии на участке сужения сечения длиной H реализуют ускоренное течение потока коллоида. Ускоренное течение оказывает выстраивающее действие на вытянутые частицы, разворачивая их в направлении движения потока со средней угловой скоростью изменения ориентации , определяемой текущим значением угла поворота частицы φ, ее аспектным отношением А и продольным градиентом скорости потока ∂V_H/∂H:

При значениях аспектного отношения A>5 и при среднем начальном значении угла поворота частицы φ=45° можно считать, что средняя угловая скорость изменения ориентации частиц определяется только продольным градиентом скорости, среднее значение которого зависит от начальной скорости потока в основном сечении V₀, длины участка сужения H и отношения площадей сечений потока S₀/S_G в начале и в конце данного участка:

Отношение площадей сечений потока S₀/S_G называется степенью сужения сечения потока. При неизменном значении диаметра основного сечения D и при варьируемом значении ширины зазора b степень сужения сечения потока оценивается выражением:

В соответствии с приведенными формулами (3)-(5) значительная степень ориентации несферических нанообъектов в потоке дисперсии достигается уже при соотношении площадей сечений S₀/S_G≥2,5, что соответствует значению ширины зазора b=8 мм. При указанном фиксированном значении ширины зазора b производят измерение зависимости продольной вязкости от скорости течения дисперсии η(V), что позволяет наблюдать монотонное снижение вязкости при увеличении скорости потока. Асимптотический выход значения вязкости к предельному значению означает реализацию возможности пренебречь броуновским вращательным движением. Характерное значение скорости, при котором значение вязкости приближается к асимптотическому значению и отличается от него не более чем на 5%, принимают как критическое значение скорости V^*.

На втором этапе при фиксированном значении скорости потока вблизи критического значения V>V^* производится измерение зависимости продольной вязкости от степени сужения сечения потока η(S₀/S_G). Данная функция представляет собой монотонное снижение вязкости при увеличении степени сужения сечения с асимптотическим выходом значения вязкости к предельному значению. Характерное значение степени сужения сечения потока, при котором значение вязкости приближается к асимптотическому значению, и это отличие составляет 5%, принимаем как критическое значение степени сужения сечения потока (S₀/S_G)^*.

Таким образом определяются критические значения параметров потока дисперсии, V^* и (S₀/S_G)^*, выше которых реализуется состояние несферических нанообъектов в дисперсии с их ориентацией вдоль направления потока.

Предложенное техническое решение обеспечивает определение параметров потока, обеспечивающих максимальную ориентацию вытянутых и пластинчатых нанообъектов вдоль потока жидкой среды благодаря применению метода акустической спектроскопии для измерения продольной вязкости дисперсии в ускоряющемся потоке.

Способ определения значений параметров потока, обеспечивающих максимальную ориентацию вытянутых и пластинчатых нанообъектов вдоль потока жидкой среды, может быть использован для контроля степени ориентации вытянутых и пластинчатых нанообъектов в промышленных дисперсиях. В том числе устройство необходимо для контроля параметров технологических дисперсий углеродных нанотрубок и наностержней перед их применением для формирования электродов суперконденсаторов, Li-ионных батарей, автоэмиссионных катодов, композитных материалов, волокон, проводников и полупроводниковых структур с целью обеспечения однородной и упорядоченной структуры, определяющей высокие функциональных параметры изделий..

Таким образом, новый способ определения значений параметров потока, обеспечивающих максимальную ориентацию вытянутых и пластинчатых нанообъектов вдоль потока жидкой среды, позволяет оперативно определить значения скорости потока и степени сужения сечения потока, при которых происходит максимальная ориентация вытянутых и пластинчатых нанообъектов вдоль потока в жидких средах, в том числе, концентрированных и непрозрачных.

Источники информации.

1. Патент US 5576617, G01N 15/10; G01N 15/02; G01N 15/12; G01N 27/06. Apparatus & method for measuring the average aspect ratio of non-spherical particles in a suspension - Прибор и метод для измерения среднего аспектного соотношения несферических частиц в дисперсии.

2. Патент WO 9416308, G01N 15/10; G01N 15/02; G01N 15/12; G01N 27/06. Aspect ratio measurement - Измерения аспектного соотношения.

3. Патент US 20110076665, A01N 1/00; B32B 23/00; C08B 1/00; С12М 1/00; C12N 5/00; C40B 50/06. Electromagnetic controlled biofabrication for manufacturing of mimetic biocompatible materials - Электромагнитно контролируемое производство миметических биосовместимых материалов.

4. Патент US 4290011 A, G01N 15/12. Particle length and volume comeasurement with controlled orientation - Измерение длины и объема частиц при контролируемой ориентации.

5. Патент US 6109098, Particle size distribution and zeta potential using acoustic and electroacoustic spectroscopy - Определения размера частиц и дзета-потенциала с помощью акустической и электроакустической спектроскопии.