虫状胶束凝胶毛细管流动中的剪切层和片段

由长链两性离子表面活性剂形成的蠕虫状胶束溶液在室温下表现出凝胶状流变性，最近还发现了其他复杂而有趣的流变性特征。我们利用光学相干层析测速技术研究了这些虫状胶束凝胶在管道流动情况下的动力学，并报告了在不同表面活性剂浓度和施加流速下存在具有强壁面滑移和非抛物速度剖面的塞流。我们将这些结果合理化为粘弹性溶液在空间和时间上发展的瞬态流动的特征，并表明这些剪切层表明了流动诱导的非均质性。我们的实验揭示了简单几何形状的虫状胶束的瞬态流体动力学，并突出了典型流动中涉及虫状胶束凝胶和类似软物质系统的流动的复杂性。

由于表面活性剂的双重性质，即亲水的头段和疏水的尾段，在溶剂中容易聚集形成各种结构。它们的形状为球体、棒状和更复杂的拓扑结构，可以通过各种物理化学性质来调节。在一定的有利条件下，表面活性剂聚集形成线性链-柔性胶束，然后可以缠结形成蠕虫状胶束(WLM)网络。该网络使悬浮液具有细观水平的微观结构，从而影响其流变学和力学行为。与聚合物体系相比，由于相对较弱的键，WLM溶液允许单体在平衡状态下交换，从而使胶束不断断裂和重组。这在平衡状态下提供了一种额外的松弛模式。如果破坏时间比重复时间小几个数量级，则WLM解的行为就像经典的麦克斯韦
粘弹性流体，其中单一松弛时间区分其固体和液体行为。这一特性使得WLM解决方案在复杂流体的广泛类别中显示了特殊性，并鼓励了对其线性和非线性流变行为的大量研究。

粘弹性和动态微观结构的结合使WLM解决方案成为探索许多有趣的不稳定性和动态行为的肥沃系统。例如，在球体上、在弯道上、在交叉点上的典型流动，都显示出与牛顿模型的显著偏差。在单剪切流动情况下，半稀WLM溶液可以表现出非单调流动曲线。这表明系统中存在剪切带不稳定性，其结果是流动变得不均匀，并分裂成具有不同性质和剪切速率的不同区域。许多研究使用了一个圆柱形的Couette几何(产生简单的剪切)来阐明剪切带在瞬态和稳态水平下的复杂时空动态。最后，湍流中的WLM解也表现出减阻，这一直是一个深入研究的主题。

WLM解决方案的流动研究得益于这些复杂流体在许多工业应用中的广泛应用，这些应用利用了其特性，包括剪切减薄、粘弹性、减阻和自愈。WLM解决方案也被积极应用于油气行业。在这种情况下，一种特定类型的WLM解决方案可以用于特定的操作。这些WLM溶液由表面活性剂分子制成，这些表面活性剂分子的碳链长度与更传统的表面活性剂有很大的不同，它由22个碳原子组成，而不是更常见的18个碳原子。这种化学上的差异对含有这些长链表面活性剂的溶液的流变性有巨大的影响。

毛细管流动已被用于计算WLM溶液的流变学，以及理解诸如入口效应、流动波动和喷射等有趣的现象。一些注意力已经被引导到理解这些几何形状的流动剖面和相关的带状场景。WLM流体穿过间隙的速度分布取决于通过改变平均˙γ来探测流动曲线的哪个区域。当分别探测应力平台和随后的高剪切速率分支时，随着时间的推移，类塞剖面逐渐在管壁附近形成剪切带。在高度受限的微通道几何形状中进行的研究揭示了这种流动中WLM溶液的动力学，并支持了剪切带状剖面的存在，这种几何形状以具有相应的高剪切速率薄层的堵头为标志。据我们所知，高弹性虫状胶束凝胶在毛细管几何结构中的流动还没有被研究过，这强烈地激发了我们对虫状胶束凝胶在O(mm)大小的圆形毛细管中的流动动力学的研究。

流变学研究采用Malvern Kinexus Ultra+流变仪和杯形几何。杯子的内表面和鲍勃的外表面被粗糙化。溶剂捕集器用于防止样品蒸发，确保蒸发不起重要作用，即使是非常长的测试。在开始实验之前，将液体放置在所需温度下稳定约20分钟。

为了研究流体在毛细管中的流动，我们使用了长度为L = 960 mm的硼硅酸盐玻璃(Friedrich & Dimmrock Ltd.)制成的毛细管。管道内径D =1.312 mm。毛细管被封闭在一个三角形棱镜中，其平坦的一面被用于成像目的，并在进行速度测量时暴露在光线下，从而不需要在测量区域周围构建一个封闭的盒子来解释内圆形毛细管的曲率。管道安装在3-D打印支架上，支架用螺栓固定在面包板式支架上，然后连接到在线压力传感器MPS(Elveflow)，该压力传感器用于有效测量管道上的压力差∆p。为了将外部三角形棱镜表面连接到圆形管道上，我们使用了一个3d打印的歧管作为转换器。管子最后连接到一个10毫升的玻璃注射器(汉密尔顿公司)安装在注射器泵(KDscientific)。然后将毛细管+板装置拧到光学相干层析成像(OCT)设备(Thorlabs - TEL1300V2-BU)的底板上。

OCT是一种基于宽带宽光源干涉测量的实时成像方式。该装置利用5倍物镜将中心波长为1300 nm的准直光束聚焦在样品上，从后向散射光中获得样品的截面图像，其轴向和横向分辨率为微米级，时间分辨率为毫秒级。有效地，OCT允许我们获得流动样品横截面积的连续图像。

图1:用于实验的毛细管流动装置图像。所有元素在(a)中清晰可见。(b)显示聚焦于管道测试部分的OCT放大视图。

图2:本文中使用的毛细管流动装置示意图。请注意，OCT和管道保持在一个角度≈3◦。

图3:来自SAOS测试的1、2、3% VES溶液的G′(红色三角形)和G′(蓝色圆圈)vs ω。

图5 3% VES启动流量动态。上:Q = 0.05,0.1,0.25,0.5 ml/min时∆p vs t∗= t/tf，中:Q = 0.25时PTV计算的早期(左)和后期(右)u / y曲线，下:Q = 0.5时PTV计算的早期(左)和后期(右)u / y曲线。

图7:Q = 0.25 ml/min时2% VES的动力学。上:∆p vs时间，中:早期时间速度时间序列，下:晚期时间速度时间序列。顶部面板中的红色圆圈表示时间序列的来源时间。

图8:Q = 0.5 ml/min时2% VES的动力学。上:∆p vs时间，中:早期时间速度时间序列，下:晚期时间速度时间序列。顶部面板中的红色圆圈表示时间序列的来源时间。

图16:由Q = 3ml /min降速后，1% VES以Q = 0.25 ml/min流速，用PIV计算的启停前时间平均速度分布图。插图:来自不同区域的粒子轨迹，数字表示单个粒子，主图中红色圆圈表示粒子在管道截面上的y位置。

参考文献：
Ronak Gupta, Masoud Daneshi, Ian Frigaard, Gwynn Elfring, Shear Layers and Plugs in the Capillary Flow of Wormlike Micellar Gels, Soft Condensed Matter (cond-mat.soft), 22 Jan 2024. Cite as: arXiv:2401.12102 [cond-mat.soft].