不同浓度阴离子瓜尔胶溶液的流变特性研究

发布日期:2015-07-07 10:50:56

不同浓度阴离子瓜尔胶溶液的流变特性研究

采用AR-G2流变仪,通过稳态流动、应变扫描、频率扫描及动态黏弹性温度扫描等实验 详细研究瓜尔胶溶液浓度对其流变特性的影响,并从微观结构上进行解析。实验得到的各个 流变特性参数与浓度之间存在高度相关性,通过数理统计分析,对上述相关性进行拟合并得到 一系列方程。

瓜尔胶是一种天然高分子化合物,其主要成 分为半乳甘露聚糖。糖单元中甘露糖和半乳糖以 摩尔比为2:1通过p-(l-4)苷键连接。瓜尔胶通过 化学改性可以进一步改善其性能,扩大其应用范 围。阴离子瓜尔胶是一种瓜儿胶衍生物,其分子 链上含有阴离子功能基[1-4]。瓜尔胶的浓度会使其 溶液的流变性质发生变化[5],本文通过稳态流动、 应变扫描、频率扫描及黏弹性温度扫描等实验详 细考察了瓜尔胶的浓度变化对其零剪切黏度、黏 度、剪切稀化指数、黏度衰减及黏性模量、弹性 模量、复合黏度、损耗正切等指标的影响,对实 验结果进行数理统计分析。
从微观结构可以想象,牛顿流 体域中系统重新排列的速率大于剪切变形的速率 (即聚合物分子重新缠绕速率大于被剪切拉伸的速 率)。然而,大于一定剪切速率后,高分子链在 溶液中解缠结以及分子链在流动方向上取向,使 得重新排列的速率小于挤压变形速率,出现剪切 稀化现象。另外,随着浓度增加,使链段密度增 加,与分子量变化作用相同,通过分子间作用力 的增强使零剪切黏度及黏度相应增加,而黏度衰 减值却减小,表明随着溶液浓度增加,样品越易 剪切变稀。
0.1%~0.5%浓度瓜尔胶溶液的 线性区域弹性模量均小于黏性模量,随着浓度增 大,黏弹性比值逐步减少,浓度大于0.6%后弹性 模量均大于黏性模量,且浓度越大,损耗正切值 亦越小,表明溶液越来越趋向于类“固体”。
溶液浓度越高,体系的弹性和黏 性越强,表明溶液浓度影响体系的黏弹性能,可 能是因为分子链上含有负电荷基团的阴离子瓜尔 胶,在高浓度条件下容易借静电及其他分子间相 互作用形成彼此缠绕的空间网络结构,从而导致 体系的黏弹性增强。损耗正切值随浓度增大而减 少。一般而言,损耗正切值越大,体系耗散能量 的能力越强,其内耗或内磨擦力越大。浓度较高 的瓜尔胶水溶液具有较低的损耗正切值,表明该 体系中链段运动的内磨擦阻力较小,亦即体系的 黏性响应相对较小而多表现出弹性行为。
瓜尔胶溶液浓度低于0.5%时,在动态黏弹性 温度扫描范围内黏性模量均大于弹性模量,两者 没有出现相交点。浓度达到0.5%后,在较低温度 时弹性模量大于黏性模量,升高至一定温度后出 现反转,此时黏性模量大于弹性模量,两者出现 相交点,记为凝胶点温度,如图13。低于凝胶点 温度时,溶液多表现为凝胶状态,弹性行为大于 黏性行为,而高于凝胶点温度时,则溶液转变为 溶胶状态,多表现出黏性行为。