热致型凝胶粘弹性流变模型研究.pdf

秦国伟等:热致型凝胶粘弹性流变模型硏究
热致型凝胶粘弹性流变模型研究
秦国伟,蒲春生
(中国石油大学(华东)石油工程学院,山东东营257061)
摘要:热致型凝胶的主要特点是粘度会随温度性(数学模型σ=Ee),理想粘壶单元体来描述物质
升高而增大,这与常规凝胶不同,导致所具有的粘弹的粘性(数学模型ε=)。
性也不同,因此很有必要研究该类凝胶粘弹性流变,
为其应用提供理论依据。研究了热致型凝胶体系的
应变与时间的关系,根据最基本的粘弹性流变模型
特征,通过实验数据建立了热致型凝胶的粘弹性流
变模型,拟合了不同条件下的参数,分析了凝胶体系
ES
在不同实验条件下的粘性、禅性的变化规律以及到
达另一平衡状态的快慢程度。
关键词:热致型凝胶;粘弹性;流变模型
(a) Maxwell型
(b) Voigt型
中图分类号:O631.2
文献标识码:A
图1粘弹性材料基本模型
Fig 1 Basic model of viscoelastic materia
文章编号:1001-9731(2010)增刊⊥-0159-03
2.1 Maxwell i模型
言
由两个理想单元体并联而成(见图1(a),主要
热致型凝胶是指该类水凝胶在温度升高超过
动力数学模型为
定值后,能转变为水基凝胶2,即常温下的粘度较
低,高温下粘度较大,该特性恰好与常规凝胶相反,联立理想单元体的数学模型,并整理可得:
de
国内外对常规凝胶粘弹性流变性进行了较深人的研
oト2d?
E dt dt
究[3,;而目前对热致型凝胶的粘弹性流变研究很
Voigt模型
少,因此很有必要研究该类凝胶的粘弹性。对具有
由两个理想单元体并联而成的(见图1(b),主
粘弹性流体的宏观流变学(唯象法)硏究主要是用两要动力数学模型为:
个最基本单元体(弹簧描述弹性、粘壶描述粘性)不
同组合来描述的;本文根据最基本的粘弹性模型联立理想单元体的数学模型,并整理可得
( Maxwell i和 Voigt模型),通过实验研究了自制
de
热致型凝胶体系的蠕变,通过实验数据建立了热致
型凝胶的粘弹性流变模型,拟合了不同条件下的参
其中:o为应力;η为粘度;E为弹性模量;e为应
数,并分析了变化规律及其原因,为该类凝胶体系的变;t为时间;7与E的比值称为松弛时间,即:
研究和应用提供理论指导意义
E
2粘弹性材料最基本模型
3热致型凝胶粘弹性研究
粘弹性材料最基本的模型有两种5:即Max
l和 Voigt模型,分别是由一个理想弹簧单元体
实验内容与方法
和一个理想粘壶单元体按照不同的连接方式(串联
蒸馏水配制适量质量浓度的自制热致型凝胶溶
并联)而成的,见图1。弹簧单元体来描述物质的弹液,经恒温循环油浴(300℃,精确度为0.1℃)加热
基金项目:国家西部开发科技行动计划重大攻关课题与专题资助项目(2005BA901A13);国家科技重大专项课题与专题
资助项目(2009ZX05009)
收到初稿日期:2010-02-20
收到修改稿日期:2010-03-2
通讯作者:秦国伟
作者简介:赛国伟(1979-),男,山东沂水人,博士生,主要研究方向为油田化学。
0年增刊I(41)卷
至实验要求下恒温40min,使凝胶结枃充分形成,为
17
了防止水分的蒸发在样品上覆盖1层耐高温二甲基
硅油(可耐360℃);在线性粘弹性区域内下(应力
e15
5Pa),利用MCR-301型流变仪测试了热致型凝胶
巛
的应变e与时间な关系。
3.2实验结果与分析
图2是质量浓度为2.0%、温度180℃下的应变
冇位2存色2如2な2
e与时间な关系曲线;其中应力。在前1min内与时
时间/min
图4后期阶段应变与时间的曲线
间z成比例增加,应变∈与应力a的线性关系(见图
Fig 4 Curves of strain and time in later stages
3),随后应力固定为5Pa
将应变ε与时间t作用后期阶段进行进一步研
究(见图4),图中曲线变化复合指数特征,故可采用
一定的指数模型拟合,数学模型为
y= yo+A(
拟合曲线得到凝胶的流变模型为:
y=12.9087+3.2697(1ーe~/4209)
分析图1和拟合的模型,可得到凝胶体系力学
なt202
时间h
示意图(见图5)和粘弹性流变模型:
图2体系测定的应变与时间关系曲线
(4)
Fig 2 Curve of strain and time for copolmer
其中:e()为总应变;为应力;E为弹簧单元
一拟合值
12y=2.6841x+0.7289
体的弹性模量;为时间;为粘弹体应力松弛时间:
1nLR2-0.964
做扫
n为粘壶单元体的粘度。
T
压力Pa
E1
图3初期阶段应变与应力关系曲线
Fig 3 Curve of strain and stress early stages
从图2可看出,应变e在作用初期阶段增加的
图5凝胶体系的力学示意图
速度较快,但随着时间的延长最后阶段应变e的增
ig 5 Mechanical diagram of copolymer
加速率逐渐变缓,最后基本恒定在最大值;主要因为
同理可得到不同浓度(180℃,浓度为1%、2%、
该类凝胶体系的结构具有一定的橡胶网络结构,弹3%)和不同温度(浓度为2%,180、230℃)下的后期
性较大;当应力σ快速作用在体系上时,小于体系松阶段的应变与时间的关系曲线(见图6),利用(4)式
弛时间,使得各分子未及时调整分子构象,这种现象拟合曲线中的基本参数(见表1)
类似于理想弹簧单元体,故应力与应变∈具有线
由资料1可知,E:反映出粘弹性模量的大
性关系,凝胶表现出一定的刚性,可通过体系的剪切小;松弛时间θ反映出松弛过程的快慢,即在给定的
模量即从图3中曲线斜率大小反映出该特征。但当条件下凝胶体系过渡到平衡态的快慢。由实验结果
应力a固定后(见图4),体系的分子有充足时间去(表1)可知,在相同温度下,该凝胶体系随溶液浓度
调整分子构象,导致应变ε增大,最后由于网络结构的增加,凝胶体系的粘弹性和松弛时间均增大;主要
限制达到最大值。
因为浓度增大时,凝胶高分子碰撞几率增加易形成
从图4中可看出,应变e的变化幅度只有网络结构,但网络结构到达平衡所需的时间增长,导
3.58%左右变化较小;但在后期阶段应变∈与时间t致该现象发生。在相同浓度下,随着温度的升高,粘
曲线出现平台现象,说明应变ε只是时间t的函数。弹性増大,这与常规凝胶不同,主要因为热致型凝胶