Устойчивость эмульсий

Хазимуллин М.В., Самигуллин Д.А.

ЦЕЛЬ:

Исследовании устойчивости эмульсий при течении в микроканалах

Эмульсии – смеси двух несмешивающихся жидкостей, образующих взвесь капель одной жидкости в другой, – широко распространены в природе и встречаются в медицине, косметологии, нефтяной промышленности, производстве полимерной продукции. Основная физическая проблема — стабильность эмульсии – cводится к вопросу: при каких условиях смесь двух жидкостей будет формировать устойчивую взвесь капель?

Рис. 1. Изображения капель в микроканале

Физические свойства проявляются при внешнем воздействии на объект. Создание потока эмульсии приводит к возникновению гидродинамичесих сил, действующих на капли: небольшие силы деформируют капли, увеличение интенсивности воздействия их разрушает. Поэтому изучение поведения капель в гидродинамических потоках является важным средством исследования стабильности эмульсий. Отдельные капли эмульсий достаточно легко наблюдать при помощи обычной оптической микроскопии, благодаря различию оптических свойств двух жидкостей, и форме капель, отклоняющих лучи проходящего или отраженного света. При исследовании течений эмульсий при больших скоростях потока существенным является использование высокоскоростной цифровой камеры (до 700000 кадров в секунду), что позволяет непосредственно наблюдать процессы деформации капель при скоростях потока порядка 1-10 м/c.

Рис. 2. Зависимость степени деформации от положения капли в микроканале

Созданная нами экспериментальная установка позволила провести исследования формы капель в микроканалах при различных скоростях потока. В качестве модельной эмульсии мы использовали смесь углеводорода-тетрадекана (ρ=0,762 г/см3) и воды, стабилизированной поверхностно-активным веществом Span 80. Микроканал был изготовлен при помощи фотолитографии из полидиметилсилоксана. Толщина и ширина микроканала составляли 40 мкм и 50 мкм, соответственно. Приготовленная механическим перемешиванием эмульсия, подавалась в канал под действием внешнего давления, регулируемым контроллером давления, что обеспечивало постоянную скорость потока эмульсии. На Рис. 1 представлено типичное микроскопическое изображение потока капель эмульсии в мироканале при внешнем давлении 45 кПа. Как видно, капля большого размера (15 мкм) имеет эллипсоидальную форму, в отличии от небольших капель (<10 мкм), которые остаются сферическими. Нами был развит алгоритм цифровой обработки изображений для определения контуров капель (красные линии на Рис. 1), что позволило определить степень деформации (отношение полуосей эллипса) в зависимости от положения капли в микроканале (Рис. 2).