[论文解读] Dynamic characterization of cellulose nanofibrils in sheared and extended semi-dilute dispersions

Tomas Rosén, Nitesh Mittal+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Advanced Cellulose Research Studies参考文献 58被引用 7

一句话总结

本研究通过流速停止实验结合偏光显微镜（POM）与小角X射线散射（SAXS），利用取向分布函数（ODF）测量，探究了纤维素纳米纤丝（CNF）在流场作用下的动态行为。研究发现，旋转扩散在多个时间尺度下发生，剪切流比拉伸流更显著地加速扩散，且形变历史对扩散动力学具有决定性影响，挑战了‘仅由ODF决定扩散速率’的假设。

ABSTRACT

New materials made through controlled assembly of dispersed cellulose nanofibrils (CNF) has the potential to develop into biobased competitors to some of the highest performing materials today. The erformance of these new cellulose materials depends on how easily CNF alignment can be controlled with hydrodynamic forces, which are always in competition with a different process driving the system towards isotropy, called rotary diffusion. In this work, we present a flow-stop experiment using polarized optical microscopy (POM) to study the rotary diffusion of CNF dispersions in process relevant flows and concentrations. This is combined with small angle X-ray scattering (SAXS) experiments to analyze the true orientation distribution function (ODF) of the flowing fibrils. It is found that the rotary diffusion process of CNF occurs at multiple time scales, where the fastest scale seems to be dependent on the deformation history of the dispersion before the stop. At the same time, the hypothesis that rotary diffusion is dependent on the initial ODF does not hold as the same distribution can result in different diffusion time scales. The rotary diffusion is found to be faster in flows dominated by shear compared to pure extensional flows. Furthermore, the experimental setup can be used to quickly characterize the dynamic properties of flowing CNF and thus aid in determining the quality of the dispersion and its usability in material processes.

研究动机与目标

• 理解水动力力与旋转扩散如何竞争控制加工过程中CNF的取向行为。
• 确定初始取向分布函数（ODF）是否单独决定CNF分散体系中旋转扩散速率。
• 比较剪切主导流与纯拉伸流中旋转扩散的动力学行为。
• 开发一种快速实验方法，用于表征与材料加工相关的动态CNF分散特性。
• 量化形变历史对CNF后流重新取向动力学的影响。

提出的方法

• 进行流速停止实验，即突然停止流动的CNF分散体系，以观察停止后的重新取向动力学。
• 利用偏光显微镜（POM）可视化并追踪流速停止后CNF取向的演化过程。
• 采用小角X射线散射（SAXS）定量测量流场中及流场后纤维的真正取向分布函数（ODF）。
• 分析ODF的时间演化，提取不同流型与历史条件下的旋转扩散时间尺度。
• 在受控分散条件下，比较剪切主导流与纯拉伸流中的扩散动力学。
• 将流速停止前的形变历史与观测到的旋转扩散速率相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 CNF的初始取向分布函数（ODF）如何影响流速停止后的旋转扩散速率？
• RQ2 在剪切流与拉伸流中，CNF分散体系的旋转扩散时间尺度是什么？
• RQ3 CNF分散体系的形变历史如何影响其后流重新取向动力学？
• RQ4 与纯拉伸流相比，剪切主导流中的旋转扩散是否更快？
• RQ5 流速停止POM-SAXS实验装置能否作为评估材料加工中CNF分散质量的快速诊断工具？

主要发现

• CNF分散体系中的旋转扩散发生在多个时间尺度，最快的时间尺度取决于分散体系的先前形变历史。
• 初始ODF单独决定旋转扩散速率的假设被证伪，因为相同ODF对应不同的扩散时间尺度。
• 与纯拉伸流相比，剪切主导流中的旋转扩散显著更快。
• 流速停止POM-SAXS实验装置可直接、定量测量ODF演化，提供一种快速评估分散质量与可加工性的方法。
• 流速停止前的形变历史在决定重新取向动力学中起关键作用，表明CNF分散体系存在记忆效应。
• POM与SAXS的结合使得在工艺相关条件下，既能定性可视化又能定量分析纤维取向动力学成为可能。