[论文解读] Rheological behaviour of suspensions of bubbles in yield stress fluids

Lucie Ducloué, Olivier Pitois+3 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2014

Pickering emulsions and particle stabilization参考文献 16被引用 5

一句话总结

本研究通过可调 bubble 尺寸和流体屈服应力的模型乳液，研究了屈服应力流体中气泡悬浮液的流变行为。结果表明，毛细数（比较粘性应力与毛细应力）控制了储能模量和损耗模量的下降，而屈服应力保持不变，稠度随气体体积分数增加而提高，该结论通过跨不同气泡刚度区域的微机械建模得到验证。

ABSTRACT

The rheological properties of suspensions of bubbles in yield stress fluids are investigated through experiments on model systems made of monodisperse bubbles dispersed in concentrated emulsions. Thanks to this highly tunable system, the bubble size and the rheological properties of the suspending yield stress fluid are varied over a wide range. We show that the macroscopic response under shear of the suspensions depends on the gas volume fraction and the bubble stiffness in the suspending fluid. This relative stiffness can be quantified through capillary numbers comparing the capillary pressure to stress scales associated with the rheological properties of the suspending fluid. We demonstrate that those capillary numbers govern the decrease of the elastic and loss moduli, the absence of variation of the yield stress and the increase of the consistency with the gas volume fraction, for the investigated range of capillary numbers. Micro-mechanical estimates are consistent with the experimental data and provide insight on the experimental results.

研究动机与目标

• 理解气泡的存在如何改变屈服应力流体的流变响应，特别是对弹性、屈服应力和稠度的影响。
• 识别控制气泡诱导悬浮液行为变化的物理机制，尤其是气泡形变和界面毛细作用的作用。
• 利用毛细数量化气泡刚性相对于连续相流变性能的影响。
• 通过适用于软性、屈服应力悬浮液的微机械模型验证实验观测结果。
• 基于宏观流变参数，建立一个独立于特定流体微观结构的通用框架，以预测悬浮液行为。

提出的方法

• 在高浓度乳液中对单分散气泡悬浮液进行实验，以独立调节气泡尺寸和连续相流体的屈服应力。
• 采用振荡剪切和稳态剪切流变测量技术，测定不同气体体积分数（φ）下的储能模量（G'）、损耗模量（G''）、屈服应力（τy）和稠度（K）。
• 定义并应用毛细数（Ca）以量化相对气泡刚性，比较粘性应力（ηγ̇）与毛细应力（σ/R）。
• 采用适用于可变形气泡（具有表面张力）和刚性颗粒（非可变形情况）的微机械建模方法，解释实验趋势。
• 系统比较多个循环中的屈服应力测量结果，以分离气泡特异性贡献与历史依赖的蠕变效应。
• 通过 G′(φ)γ/τy(φ) 对应力-应变曲线进行重标度，以归一化弹性响应，并独立评估非线性行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 气体体积分数如何影响屈服应力流体中气泡悬浮液的弹性模量和损耗模量、屈服应力及稠度？
• RQ2 气泡刚性（以毛细数量化）在决定宏观流变响应中起什么作用？
• RQ3 气泡在屈服应力以下在多大程度上导致蠕变或非线性弹性行为？
• RQ4 微机械模型能否准确预测这些悬浮液中观测到的流变趋势？
• RQ5 气泡悬浮液在屈服应力流体中的行为是否具有普适性，还是取决于微观结构？

主要发现

• 储能模量（G′）和损耗模量（G''）随气体体积分数 φ 增加而降低，且该降低趋势由毛细数控制，毛细数量化了相对气泡刚性。
• 屈服应力（τy）在所研究的气体体积分数范围内基本保持不变，表明气泡不会显著改变流动起始所需的临界应力。
• 稠度（K）随 φ 增加而提高，且该趋势也与毛细数相关，表明气泡引起的应力放大效应导致高气体分数下对流动的阻力增强。
• 考虑毛细作用（可变形气泡）或刚性颗粒行为（非可变形气泡）的微机械模型与实验数据定量吻合，证实了观测趋势的物理解释。
• 在屈服应力以下，气泡未引入显著的额外蠕变或历史依赖行为；气泡的主要效应是降低储能模量，而非改变塑性响应。
• 通过 G′(φ)γ/τy(φ) 对应力-应变曲线进行重标度后，所有数据均收敛至一条主曲线，证实气泡引起的唯一变化是初始刚度的降低，而非屈服动力学的改变。