Испарение

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 4697 (2022) Цитировать эту статью

1614 Доступов

4 цитаты

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Свойства текучести растворов полимеров в летучих растворителях при растяжении определяют многие промышленно важные процессы нанесения покрытий, но в существующих приборах отсутствует среда, необходимая для контроля испарения. Чтобы уменьшить испарение во время измерений реологии растяжения с капанием на подложку (DoS), мы разработали камеру, в которой образец помещается в среду, насыщенную парами растворителя. Мы проверили устройство DoS с контролем испарения, измерив модель высокомолекулярного полиэтиленоксида (ПЭО) в различных органических растворителях как внутри, так и снаружи камеры. Испарение существенно увеличивает время продольной релаксации \(\lambda _{E}\) для ПЭО в летучих растворителях, таких как дихлорметан и хлороформ. Растворы ПЭО/хлороформ показали более чем 20-кратное увеличение \(\lambda _{E}\) из-за образования поверхностной пленки, вызванной испарением; исследования испарения подтвердили особенности поверхности и образование пленки, напоминающие нестабильность деформации, обычно наблюдаемую при высыхании растворов полимеров. Наконец, времена релаксации полуразбавленных растворов ПЭО/хлороформа были измерены с контролем окружающей среды, где \(\lambda _{E}\) масштабируется в зависимости от концентрации по показателю степени \(m=0,62\). Эти измерения подтверждают эффективность среды DoS с контролируемым испарением и подтверждают, что хлороформ является хорошим растворителем для ПЭО с показателем Флори \(\nu =0,54\). Наши результаты являются первыми, которые контролируют испарение во время расширенной реологии DoS, и предоставляют рекомендации, устанавливающие, когда контроль окружающей среды необходим для получения точных реологических параметров.

Растяжимые потоки играют важную роль в переносе1, осаждении и разрушении летучих жидкостей с низкой вязкостью в промышленных процессах, от нанесения покрытий2,3 и струйной печати4,5 до впрыска топлива6. Сложные потоки, такие как нанесение покрытия прямым валком3 и распыление7,8, образуют капли за счет растяжения и разрыва нитей. Летучие органические растворители часто используются в этих промышленных процессах для растворения компонентов рецептуры и обеспечения легкой сушки после нанесения покрытий9,10,11. В дополнение к применяемым параметрам обработки вязкоупругость жидкости и соответствующие реологические свойства при растяжении определяют долю жидкости, которая распадается на капли, временные рамки распада и распределение капель по размерам7. Таким образом, эти реологические параметры можно использовать для количественной оценки способности к покрытию и распылению макромолекулярных растворов12,13,14, которые в сочетании со скоростью испарения растворителя во многом определяют качество покрытия15. Хотя такие свойства, как вязкость при нулевом сдвиге, играют роль в управлении этими потоками, такие свойства, как вязкость при растяжении, определяют окончательное разрушение капель жидкости. Кроме того, вязкость при растяжении в разбавленных растворах полимеров часто на несколько порядков превышает сдвиговую вязкость2,16, и это свойство может быть вредным при нанесении покрытий и печати. Поскольку потоки растяжения приводят к деформациям, которые разрушают структуру сложных элементов жидкости, таких как клубки полимера, более существенно, чем в аналогичных сдвиговых потоках17,18, реология растяжения также может быть более показательной для производительности в процессах нанесения покрытий для жидкостей с низкой вязкостью. Таким образом, преобладание потока растяжения в промышленных процессах и его сильное влияние на конформацию полимера делает реологию растяжения особенно полезной при измерении фундаментальных свойств материалов сложных жидкостей и при определении состава проб перед масштабированием.

Реологические параметры, такие как вязкость при растяжении и время релаксации (\(\lambda _{E}\)), которые полезны при описании этих потоков, не могут быть предсказаны только на основе поведения сдвига2,19. Хотя одноосный поток растяжения может быть создан с помощью микрофлюидного устройства20 или струи16,21, в обоих этих методах используются устройства, изготовленные по индивидуальному заказу, требующие априорного знания свойств жидкости, таких как вязкость при растяжении, для определения возникающих скоростей расширения. Скорость расширения жидкости в микрофлюидном устройстве или струе зависит от размера специально изготовленного канала или сопла21,22, поэтому извлечение свойств материала может быть сложным итеративным процессом. Более того, эти методы часто создают смешанные потоки сдвига и растяжения, что затрудняет различение конкретного воздействия потока растяжения.