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低剪切率流流变学研究羧乙烯聚合物解决方案使用MRI(磁共振成像)

*通信:

居尔Bengusu Tezel、化学工程系、工学院和架构,Abant波洛Baysal大学,14280年,Bolu,土耳其,电话:+ 903742541000;Ext:4903;电子邮件: (电子邮件保护)

文摘

复杂的分析(屈服)血流流变行为为0.1 wt %, 0.13 wt %, 0.15 wt %羧乙烯聚合物解决方案中进行了使用核磁共振成像测速低剪切速率区域(10-4-10 s - 1)重力驱动流系统。在这项研究中,流在管道进行运动学稳定和缓慢条件(Re < 1)获得准确的羧乙烯聚合物的动态屈服值的解决方案。然后我们显示在这个范围内的剪切率。核磁共振测试技术能够很好地使用使用合适的图像数据采集过程。屈服应力是羧乙烯聚合物解决方案取得了成功。越集中0.1 wt %羧乙烯聚合物解决方案被发现的收益率压力9.8 Pa而越集中0.15 wt %羧乙烯聚合物溶液表现出更高的收益率压力54.4 Pa的价值。这是第一个测量屈服压力羧乙烯聚合物解决方案,这种方法在10-4-10 s - 1。相比,核磁共振测量与测量同一样品进行传统流变仪在10-2-10 s - 1的剪切速率范围。这项研究提供了洞察MRI测速可以捕获流动蠕变条件下的速度分布。

关键字

流变学;羧乙烯聚合物;屈服应力;管流;核磁共振成像

介绍

获得的流变流体通过管道流的信息有助于提高产品质量为工业过程(1]。牛顿的剪切粘度和广义牛顿流动可以通过基于核磁共振的粘度计监测技术。速度剖面成像,可以提炼出与已知的压降和整个使用核磁共振技术流的管道尺寸。速度资料转化为流变数据仅仅是基于计算剪切速率和剪切之间的关系压力在在线数据处理流(麦卡锡)(2]。它可以应用各种几何流分析与一些实验流变特性限制速度数据的分辨率或质量(3]。

磁共振成像速度数据实现精度是由Arola et al。2)和Tozzi et al。4]。从图像中提取的速度剖面和剪切速率计算数据为MRI粘度计提供了一些挑战。图像数据需要有足够的信噪比和分辨率足够的速度来实现所需的剪切率的范围。剪切速率取决于速度的最小分辨率(Arola et al . 1998年)。后适当的速度分辨率设置和图像,提取速度剖面。剪切速率计算径向位置的函数求导的流速剖面在MRI流变仪(4]。

零剪切速率或蠕动流流变学有重要的潜在的收益率来衡量压力复杂的流体。从实用的角度来看,收益率压力概念对消费者有很大的关系感知的产品质量。传统的收益率压力测量方法有时失败由于离线流变仪(扭矩测量精度5]。

在这项研究中,羧乙烯聚合物被称为一个复杂流体(Nyguen和沼泽1992)的流变学是利用核磁共振研究通过测量流体速度稳定。本研究的另一边是MRI流变仪来检测流量的限制低剪切速率区域一致的分辨率的图像。

材料和方法

实验流体

交联聚丙烯酸酯聚合物(Carbopol940路博润公司)使用不同浓度(0.1%,0.13%,0.15% w / w)。这些解决方案是准备用粉状羧乙烯聚合物- 940与蒸馏水混合搅拌釜大约7天。聚合物解决方案与茶中和pH值7.1(三乙醇胺)解决方案。中和过程是至关重要的,因为强烈的依赖性羧乙烯聚合物溶液的流动行为的博士中和允许解决方案实现以来最大粘度聚合物链解开pH值。

流系统

关闭流循环系统用于这项研究供应重力驱动流服务低核磁共振成像的速度测量。流循环示意图所示图1。测试液循环使用Moyno泵(综合电机驱动系统,富兰克林电气)通过管道的内部直径38.1毫米的PVC管与不锈钢配件部分。压降得到管末端的固定长度的1.68米使用压力传感器(西门子公司)。确保充分发展流动成像与连续管4.5的一部分配件上游的磁铁(退出之间的泵入口管部分)(L / d = 120)。流驱动柜高度改为50厘米到150厘米使用一辆带可调高度的实验室平台。

磁共振成像流变仪

速度概要文件和流变测量检测使用核磁共振下脉冲梯度自旋回波序列(PGSE) (Arola等人1998)在一个方面成像1特斯拉永磁(Shoham成像方面,以色列)食品科学技术部门加州大学戴维斯,美国。成像参数调整稳步捕捉影像文件。片厚度(mm)为壳的厚度或片正常的方向流动。厚片成像期间提高了信号强度。视野(FOV)与垂直方向的厚度信号流的方法。速度扫描宽度(甚短波)调整流速和决定速度分辨率的图像。他们是关键参数准确捕捉流速。片的厚度和视野分别为30毫米和50毫米。256步使用的径向速度和编码。小的速度扫描宽度值(甚短波)捕捉准确低速度流成像通过管道作为中列出表1。的射频线圈电磁四转,将一个圆柱卷直径60毫米,60毫米长。系统温度保持恒定在22.2°C使用温度控制器和热交换器。稳态剪切流实验参数所示使用表1。雷诺数小于团结。

表1。一些典型的例子中使用实验参数成像过程。

结果与讨论

测量速度的MRI图像0.15%羧乙烯聚合物解决方案没有给出流和轴向速度流条件图2和图3。MRI流体条件是获得初始流和之前也有相同的信号0.1%和0.13%羧乙烯聚合物解决方案。信号强度描述了轴向速度的径向位置的函数。垂直的明亮区域的中心流体图像能够跨越管的宽度这表明管道墙壁的位置。明亮的区域位置在图像的中心流体条件体素256号是轴向速度v = 0。羧乙烯聚合物速度概要文件所示为0.15%图3 a-3d在不同的体积流率。随着流量的增加,信号强度定位更向右按预期更高的速度。在0.25升/分钟,形象图3展品更削弱了甚短波速度剖面5厘米/秒的价值。它足以捕捉小流的剪切速率范围。塞速度剖面形状扩展等体积流率增加图3 b-3d。羧乙烯聚合物解决方案不表现出在这些流量如滑移速度图3。

图4 a-4c羧乙烯聚合物解决方案概要的测量速度与无衬壁(r = -0.02, r = 0.02)。他们给出管半径的函数,r。是单向流动和流动速度场是由V = V (r)为不同的压降测量图4 a-4c。速度的大小是足够小,观察低剪切速率流动。最大速度达到0.1%羧乙烯聚合物解决方案如预期图4。速度数据表现出明显plug-like行为。最小剪切速率数据点确定的最低速度调查所示图4 a-4c。

为三个不同的流变图给出了羧乙烯聚合物浓度决定使用内联和off-siline方法中描述图5。广场标志线代表与线下传统流变仪获得的值。圆圈对应于MRI测速数据。传统方法,剪切率从0.085秒¹。核磁共振成像测速数据的离线数据与所有浓度。仪器CVO流变仪(波林Insturements)和锥板流变仪(锥角4°,直径40毫米)22°C用于离线测量。稳态剪切速率斜坡从0.085 S¹十年代¹在对数模式下执行10分/十年。

许多流变测量在不同流量条件下剪切应力/剪切速率数据所示图5。较低的剪切速率受限于速度分辨率的图像,因为没有数据流是在剪切率低于最低计算速度分辨率磁共振成像方法。在这项研究中最小剪切速率范围的10⁴年代¹在表1。它必须符合测量实验剪切速率数据估计的剪切质量压力和剪切速率数据。最小剪切速率之间的关系可以计算使用非dimensionalized最小剪切速率和速度分辨率数据(Arola et al . 1998年)。使用新获得的结果平滑过程pre-described Tozzi et al . 2012。这个重新调节功能也有助于消除工件,可以发生在速度概要文件在数据采集过程中使用MATLAB执行。它消除了潜在的错误来源可以从图像采集了。可以获得精确的动态屈服值估计从这个过程和所示图5 a-5c。低收益率达到对低浓度的羧乙烯聚合物图5。从图5 a-5c、屈服应力被发现为9.8、22.8和54.4 Pa对应于剪切的交集压力价值接近剪切率几乎为零。随着羧乙烯聚合物浓度的增加,屈服压力变大。这些结果也在良好的协议与报道Coussot et al。(2009)。

结论

MRI的结合速度测量与压降测量允许剪切速率和剪切之间的关系压力开发,从而产生一个流变测量。蠕动流的实验调查的0.1%,0.13%和0.15% w / w羧乙烯聚合物浓度的解决方案在MRI过程监控提出了流变仪。以下的结论可以从实验的结果:

•核磁共振成像在流动低雷诺数是容易获得的重力驱动实验流程设计。

•核磁共振测试技术是一种有效的工具来获得准确的产量压力数据为羧乙烯聚合物解决方案低剪切速率范围。

•较早开发新平滑对于蠕动流图像采集方法是有用的。

•不表现出滑移速度这些羧乙烯聚合物解决方案低雷诺兹数。

引用

1. 麦卡锡KL、Kauten RJ麦卡锡MJ, et al。流管流变仪中的概要文件使用磁共振成像。J食品Eng。1992; 16 (2): 109 - 25。
2. Arola DF、鲍威尔RL Barrall GA, et al。一个简化的核磁共振成像的精度估算的方法。牧师Sci Instrum。1998;69 (9):3300 - 7。
3. Nguyen QD沼泽DV。测量产生的流动特性压力液体。为流体机械。1992;24 (1):47 - 88。
4. Tozzi EJ,浆果,西蒙WH、et al。通过stress-rescaled健壮的毛细管测速数据的处理速度的功能。56 J Rheol。2012; (6): 1449 - 64。
5. Coussot P, Tocquer L, Lanos C, et al。宏观与地方产生流变学压力液体。J Nonnewton流体机械。2009;158 (1):85 - 90。