CN101072991A - 确定流体流变特性的方法和设备及相应的识别方法 - Google Patents

Abstract

根据该方法，让流变特性已知的基准流体(F₂)和未知流体(F₁)在微槽(126)中平行流动；在所述并行流动中，识别表示所述两流体间界面(I)的至少一个数据，特别是所述界面的位置；基于所述或者每个识别的数据，确定所述未知流体的流变特性。

Description

确定流体流变特性的方法和设备及相应的识别方法

本发明涉及确定流体流变特性的方法和设备及应用该方法和/或该设备的识别方法。

存在大量本发明要处理的日常生活中碰到的流体。仅作为说明的目的，尤其可以举出泡沫、乳状液如蛋黄酱，或者还有浓缩表面活性剂如香波的各种相。这些流体一般通过混合不同组分得到，所述组分比如是油、水、表面活性剂、聚合物或者还有酒精。

在这种情况下，配方工程师必须制定出配方，该配方是有效的(比如，在香波的情况下，具有洗涤功能(lavante))，但所述配方同时应是随时间稳定的，易操作的，且具有令消费者舒适的质地。为此，掌握这些配方的流变特性是必要的，以便能够调整之。实际上，考虑到这些性质对所考虑的流体的制造过程、泵送过程和混合过程具有直接的影响，这些性质是相当重要的。

正如公知的，在简单流体比如水的情况下，黏度和作用于该流体的剪切率(taux de cisaillement)无关。这种流体于是称为牛顿流体。

对于复杂流体情况则不同，复杂流体的特征在于存在介于分子尺度和样本尺度之间的中间尺度级(échelle de taille intermédiaire)。所述尺度级比如为乳状液中的液滴的尺度或者还有泡沫中的泡的尺度。

这些称为非牛顿流体的复杂流体的黏度易于在作用于其上的应力增大时产生变化。这些流体的流变响应因而不是黏度的唯一系数，而是称为流动曲线(流变曲线)的响应曲线。流动曲线代表应力随剪切率的变化，该曲线的局部斜率为对应于所考滤的剪切率的黏度。

为调整配方的黏度，通常加入增稠剂，比如聚合物或者盐的溶液，或者加入胶凝剂，其例如是聚合物或者蛋白质。为了精确确定该黏度值，通常制备组分变化的不同混合物。其力学性质接着利用公知为流变计的合适的仪器进行测量。

一种此类的流变计比如是由TA INSTRUMENTS生产的，商品名为AR1000N。其包含两同轴圆柱体，所述圆柱体限定了一中间空间，所述空间中加入希望确定其流变性质的流体。

一力偶通过一电动机作用于内圆柱体上。在这种情况下，这涉及测量所述电动机轴的转速，可以理解，所述转速越大，所述流体的黏度越小。

不过，所述流变计的使用也带来一定的不足。

首先，其导致流体的高消耗，因为每次测量要求使用一难以忽略的量的组分，一般介于5到30立方厘米之间。而且，所述流变计的操作比较令人厌烦，因为每次测量都相应地要制备待测量的样品。

另外，一般地，工业界持续存在开发新产品的需求，所述新产品具有新性质，比如新的化合物或者包含新化学产品的新组分和/或与化学产品的新组合。所述新产品的流变学特性对于许多的应用是很重要的，要求经常地在研究开发过程中测试。存在对加速所述研究开发过程的方法和设备的需求，比如测试更大数量的产品和/或对更小的量的产品实施测试，和/或更快地实施测试。

明确了了上面这些后，本发明致力于弥补上面所述的现有技术的各种不足和/或满足上面所述的需求。

特别地，本发明致力于实施一方法，所述方法可以使用极少量的流体确定该流体的流变特性。其尤其致力于这样一种方法，所述方法可以得到和现有技术中的流变计相同的性质。

本发明还致力于提出一体积小且结构简单的设备，所述设备借助有限数量的外部仪器可以实施该方法。

为此，本发明的目的在于一种确定未知流体的流变特性的方法，所述方法包含以下步骤：

让基准流体(fluide étalon)和所述未知流体在流动微槽中平行流动，所述基准流体的流变特性已知，所述未知流体的流变特性待确定；

在所述并行流动中，识别表示所述两流体之间的界面的数据；和

基于所述或者每个识别的数据，确定所述未知流体的流变特性。

本发明的目的还在于实施如上所述的方法的设备，所述设备包含确定所述未知流体的流变特性的装置，所述装置包含：

主体，其尤其形成板状；

流动微槽，设置于所述主体中，适于接纳所述未知流体和所述基准流体的平行流动；

将所述两流体引入所述流动微槽中的引入部件；

在所述平行流动中，识别表示所述两流体之间的界面的数据的识别部件；和

基于所述或者每个识别的数据，确定所述未知流体的流变特性的确定部件。

最后，本发明的目的还在于一种识别尤其具有令人感兴趣的流变性质的化合物、化合物的组合或者混合物的方法，所述方法包含以下步骤：

a)制备至少两种不同的产品、组合或者混合物；

b)通过如上所述的方法和/或借助于如上所述的设备测量至少一种流变特性；

c)识别具有令人感兴趣的流变性质的产品、组合或者混合物。

下面将参考仅作为非限定性的例子给出的附图描述本发明，附图包括：

图1为一正视图，其简要示出了本发明给出的流体流变特性的确定设备；

图1A为放大正视图，其更具体地示出了图1所示的设备的接合区域(Zone de jonction)；

图2为一大比例尺正视图，其示出了图1所示的设备的一区域内两流体的平行流动；

图3为一曲线图，其示出了在实施本发明的实施方案一种变型时，图1所示的设备内流动的两流体的速度场；

图4为一类似于图2的大比例尺正视图，其示出了图3所示的方案付诸实施时两流体的流动；

图5A和图5B为类似于图2和图4的大比例尺正视图，其示出了本发明给出的设备内流动的两流体的速度场的测量结果；

图6为类似于图3的曲线图，其示出了根据图5A和图5B所示的步骤测量的两流体的速度场；

图7到图14为曲线图，其示出了将本发明给出的方法付诸实施的实施例1到8的结果，所述方法可以确定流体的流变特性。

如图1所示，本发明给出的设备首先包含混合装置，所述装置整体上被标注为1。该混合装置包含主体2，所述主体形成为板状，并可以公知的方式用PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)制成。

所述板2的典型长度为60毫米，典型宽度为40毫米，典型厚度为4毫米。根据现有方法的传统工艺，板上刻有不同的微槽。以公知的方式，未示出的玻璃板通过粘合方式被添加到所述PDMS板2的上面，以封闭所述微槽的上表面。

本发明所要实现的所述微槽的特征尺寸介于十几微米和毫米之间。典型地，该尺寸在所述微槽内产生大致层状流，其雷诺数小于1。作为指示，为了说明所述微槽的实现和性质，可以参见StéphaneCOLIN的著作，《微流体》(微系统系列EGEM论文)(Microfluidique(Traité EGEM série microsystème))，HermèsScience Publications版。

更确切地，首先准备两种组分的两条引入微槽4和6，所述微槽在图1上水平延伸。每条微槽和入口8和10相关联，并适于接纳管道12或14的第一端，所述管道的另一端和注入器16或18相连。受每个注入器支配的组分流量另外还借助于注入器活塞(pousse-seringue)20或22来控制。

所述板2还挖有微槽24，其可以引入气体，比如空气。类似上面所述的，所述微槽24和入口26，管道28及压力计30相联。在下面不再详细描述这些不同的且公知类型的力学(机械)部件8到22以及26到30。

所述两微槽4和6首先汇为在图1上的竖直的中间微槽32，所述微槽32本身和所述微槽24相连通。在所述接合区域的下游，还形成了称为混合微槽的微槽34。注意到，所述微槽34配设有连续的褶(replis)34₁，所述褶形成了曲折，它们的壁构成了障碍物，所述障碍物可以混合所述组分，这在后面将有详细和说明。所述混合微槽34的下游端通向出口36。

图1所示的设备除了所述混合装置1还包含补充装置101，所述装置101可以确定流体的流变特性，如下面所述。所述确定装置101首先包含板102，类似于上面所述的2，在所述板上刻有不同微槽，如之后所述。如同所述混合装置1的情况，所述PDMS板102和未示出的玻璃板相结合，所述玻璃板可以封闭所述微槽的上部。

所述板102首先包含第一微槽也就是上游微槽104，所述微槽在图1上水平延伸。所述微槽104和入口108相联，所述入口通过管道112和所述混合装置1的出口36相连通。

所述板102还备有同样水平的第二上游微槽106，所述微槽和入口110相联。该入口通过管道114和注入器118相连通，所述注入器的流量借助注入器活塞122控制。

注意，可以备有多个补充注入器，所述注入器和对应的注入器活塞相联，可以通过所述管道114向所述入口110中输送其他类型的流体。在这点上，不同注入器之间的变换可以自动进行。其控制以公知的方式由计算机保证。

所述两上游微槽104和106交汇于一接合区域124，所述区域形状为漏斗状，这详细图示于图1A中。更确切地，所述区域124的横截面S朝下游方向(即和前述的两微槽104和106相反的方向)减小。

所述接合区域124和在图1上竖直的微槽126相连通，该竖直微槽称为流动微槽。该流动微槽的下游端和出口128相连通，所述出口比如和未示出的管道相联，所述管道可以排出废液。

根据本发明，各微槽4、6、24、32、34、104，106和126的通道截面有利地介于20到500微米之间，优选地介于50到200微米之间。

本发明给出的设备还配设有摄像机200，所述摄像机通过线204和计算机202相连。所述摄像机以公知的方式和显微镜相关联，以使其光束201适于显示所述流动微槽126的一区域。所述区域称为显示区域，在图1上由虚线表示，并标注为Z。

上面所述的图1所示的设备的实施将在后面阐明。

根据本发明，希望特别是通过所述显示区域Z的光学辨识(lecture optique)确定称为未知流体的流体的流变特性。为此，所述未知流体首先通过混合两组分在所述混合装置1中配制。

所述两组分按照由所述注入器活塞20和22控制的流量在所述微槽4和6中流动。在这点上，流量的典型范围比如为1微升每小时到100毫升每分钟。

接着，所述两组分以总体上平行流动的方式在所述中间微槽32中流动。必须注意到，在所述微槽32中，考虑到所述微槽的性质本身，特别是其极小的截面，所述两组分之间基本上不存在混合。

而且，让空气在所述微槽24中循环，以生成气泡。气泡在所述混合微槽34中两组分的平行流动中产生扰动。因为所述微槽34配设有褶34₁，所述褶在前述流动中造成了碰撞，所以这些扰动更大。

结果，在所述出口36获得充分混合的流体，所述流体的组成借助于从所述微槽4和6运送出来的各组分各自的流量信息可以很好地确定。在这点上要强调的是，所述未知流体的组成可以通过前述的由所述微槽4和6运送的流量的简单变化而极简单地加以改变。

同样注意到，空气连同所述PDMS的使用是有利的。实际上，考虑到该材料对空气而言是多孔的，气泡的尺寸随着气泡在所述混合微槽34中的前进而趋于减小，从而空气可以逐步通过所述PDMS膜逸出。

因此，通过合适地调整空气流量和所述微槽的长度，可以获得混合良好、基本上不含空气泡的流体。于是，之后对所述流体流变特性的确定不会由于可能存在气体而被干扰。

作为一种变型，可以组合使用不同于空气和PDMS的混合气体和板的组成材料。作为非限制性的例子，可以有氮气，氮气或者氩气。

作为未图示的变型，为了得到所述未知流体，待混合的组分的个数可以大于2。从这个角度看，用补充组分在所述混合微槽的入口或者出口处重复上面所述的混合过程。

还要注意到，所述混合装置1可以不同于气泡混合器。在这种情况下，其可以涉及其它任何以公知的方式有利于述可溶混流体间的接触区域的增大的装置。作为非限制性的例子尤其可以考虑在所述微槽中设置人字纹(chevron)，或者在所述流动中产生脉动(pulsation)。

所述混合装置1中配制的未知流体于是通过所述管道112引入所述微槽104的入口108。而且，在另一上游微槽106中让流变特性完全已知的基准流体流动。所述两流体，分别是未知流体和基准流体，于是在所述微槽126中流动。

如上面所述，微槽中的流基本上是层流。在这种情况下，前述两流体将在所述微槽126中平行流动。不过，采取一定措施从而保持所述流动的平行性质是有利的。

为此，在可溶混流体的情况下，所述接合区域124的漏斗形几何形状是有利的。而且，可以在所述基准流体中加入表面活性剂，这有利于所述流动的平行特点而不改变所述未知流体的组成。

下面首先描述为确定所述未知流体的流变特性的本发明的第一种实施方式。

为此，借助所述摄像机200显示所述微槽126的区域Z，如图2所示。在该区域上，可以看到所述流动微槽126的一部分，其壁标注为126₁。另外，将所述未知流体和所述基准流体分别标注为F₁和F₂。最后，将所述流体间的界面标注为I。前面已说过，所述流体按并行流的方式前进。

因此，这涉及测量所述未知流体F₁的流宽度l。另外，将所述微槽126在所述显示区域Z处的宽度标注为L。

在所述未知流体为牛顿流体即其黏度和所施加的剪切率无关的情况下，应用下面的方程。

首先，所述槽的主轴标注为x轴，y和z为其横轴(见图1A)。换句话说，y对应所述槽的宽度，z对应其深度，(x，y，z)构成了正交坐标系。

存在平行流动时，速度场只有沿所述槽的x轴方向的唯一分量。在这种情况下，所述速度矢量写作： $\stackrel{\→}{v_i}=u_i(x,y,z)\stackrel{\→}{e_x}.$

在上面及后续的方程中，下标i代表值1和2，分别对应所述未知流体和所述基准流体。

所述流体的不可压缩性得出了下面的方程(1)：

$\begin{array}{cc}\left(1\right)& \frac{\∂u}{\∂x}(x,y,z)=0\end{array}$

Navier-Stocks方程写成如下的(2₁)，(2₂)和(2₃)：

$\begin{array}{cc}\left(2_1\right)& \frac{\∂P_i(x,y,z)}{\∂x}={\mathrm{\η}}_i(\frac{{\∂}^{2}u(y,z)}{{\∂}^{2}y}+\frac{{\∂}^{2}u(y,z)}{{\∂}^{2}z})\end{array}$

$\begin{array}{cc}\left(2_2\right)& \frac{\∂P_i}{\∂y}(x,y,z)=0\end{array}$

$\begin{array}{cc}\left(2_3\right)& \frac{\∂P_i}{\∂z}(x,y,z)=0\end{array}$

考虑到所述速度场只有沿x方向的轴向分量，可以将方程(3)写成：

(3)P_i(x，y，z)＝(P_i-出口)*x＝P_i-入口*(Ｌ-x))/L

在上面的方程(2)和(3)中，P_i代表每种流体的压强，从而所述压强的导数对应沿x、y或z方向之一的压头损失(perte de charge)。另外，方程(2)中，η代表黏度(黏性系数)。

设Q_i为每种流体的流量，可以根据下面的方程(4)将所述流量写成速度的函数：

(4)Q_i＝∮u_i(y，z)dydz

同样给出关于所述两流体间界面I上的速度连续性的方程(5)

(5)u₁＝u₂

最后，给出关于作用于所述界面I的力的连续性的方程(6)

(6)η₁γ₁＝η₂γ₂

这里，γ_i对应于所施加的剪切率。

上面给出的方程(1)到(6)属于六个未知数六个方程的方程组，本发明提出用数字方式解所述方程组。

为此，首先，这涉及实施计算机202采集阶段，在所述计算机中纳入大量的六值数据组(ΔP，η₁，η₂，l，Q₁，Q₂)，其中：

ΔP代表所述两流体平行流动处的压强梯度，

η₁和η₂分别代表所述未知流体和所述基准流体的黏度，

l代表上面所述的未知流体的流宽度，和

Q₁和Q₂分别代表所述未知流体和所述基准流体各自的流量。

另外注意到，所述基准流体F₂的黏度和所述两流量Q₁和Q₂是已知的。

在这种情况下，借助所述摄像机200测量所述宽度l，从所述计算机采集阶段获得所述AP值以及所述未知流体的黏度η₁。作为未图示的变型，可以借助所述摄像机200测量对应于所述基准流体F₂流的宽度(L-l)，从而得到l，然后得到ΔP和η₁。

注意到，在某些情况下，图2、4、5A和5B所示的界面I不是竖直的。因此，对于某些不可溶混流体，流动可以采用一种流体(未知流体或者基准流体)向另一种流体(基准流体或者未知流体)中喷射的形式。和前面相同，所述流动的几何特性尤其通过光学手段测量，而借助数字程序对流动进行分析。

在所述未知流体为非牛顿流体即其黏度和作用的剪切率相关的情况下，上面所述的方程(2)先验地不再适用。

在这种情况下，这涉及将所述非牛顿流体与在相同的操作条件下牛顿流体具有的黏度相关联，所述相同的操作条件即相同的流量、相同的基准流体黏度和相同的界面位置。同样地，这涉及通过利用牛顿流体在相同的实验条件下所受剪切率来确定作用于所述非牛顿流体上的剪切作用。

实际操作中，减小所述未知流体和所述基准流体的流量比，以使所述流动微槽126中的未知流体的宽度l减小。有利的是，减小所述流量比直到所述宽度l介于所述微槽126的总宽度L的5％到20％之间，特别是在大约10％附近。

在这种情况下，所述未知流体和所述基准流体各自的速度分布如图3所示。图3上显示了速度v随横轴坐标或者所述微槽的宽度y的变化。可以看到，所述未知流体的速度分布由界面I左边的部分C₁显示，总体对应于一条直线，C₂部分对应所述基准流体。

对于黏度是所述基准流体的至少5倍的未知流体，这些同样适用于流动为喷射方式的情况。

所述未知流体的速度分布的斜率因此而基本恒定，所述剪切率也一样。因此，方程(2₁)和(2₃)中所述未知流体的黏度η₁同样是恒定的。因此，可以运用这些方程。

因此，在牛顿流体的情况下，可以用同于上面阐述的方式确定所述未知流体的黏度。因此，如图4所示，精确测量所述宽度l，上面已经看到，该宽度有利的是小于所述总宽度L的20％。接着，借助上面阐明的数字方法得出所述未知流体的黏度。

下面描述确定所述未知流体的流变特性的本发明的第二种实施方式。为此，首先这涉及确定所述两流体沿所述微槽的y轴即所述微槽的宽度方向的速度场。将微粒分散在所述两流体中，借助所述摄像机200确定其前进的速度。

所述微粒的典型大小介于1到4微米之间，在含水相情况下例如是胶乳(latex)小球，或者，在油相情况下例如是黑色素(mélanine)小球。考虑到其大小和其光学指数，通过所述摄像机200是很容易识别所述微粒的。

图5A和图5B上，以和结合图2中所描述的方式类似的方式示出了所述微槽126的区域Z。于是可以看到所述微槽126的壁126₁，所述未知流体和F₁和F₂以及所述两流体间的界面I。为了说明的简明，假设分散了8个微粒P₁到P₈，即在每种流体中各4个，当然实际操作中使用的微粒数远大于此。

图5A和图5B对应不同的观测时刻，可以显示前述微粒的位移。所述微粒对应的速度于是等于每个微粒的位移值和分隔两个观测点的时间段t的比值。注意到，在所考查的例子中，所述微粒P₆和P₇速度最大，而所述微粒P₁和P₈速度最小。

在这种情况下，可以获得图6所示的所述两流体沿y轴方向的速度分布。于是，在横轴上获得y坐标，在纵轴上获得速度v及所述界面I的位置。曲线C’₁和C’₂分别关于所述未知流体F₁和基准流体F₂。

这涉及应用前面所述关于作用于所述界面I的力的连续性的方程(6)，回顾一下，其写成：

(6)η₁γ₁＝η₂γ₂

如图6所示，于是用数字方法确定所述界面I两侧的曲线的切线，所述切线标注为T₁和T₂。于是，这可以获得两个剪切率γ₁和γ₂，考虑到所述基准流体的黏度η₂已知，因此而得出所述未知流体的黏度η₁。

上面所述的两种实施方式可以得到所述未知流体的黏度。必须强调的是，本发明还可以通过改变所述剪切率得到所述未知流体的流动曲线(流变曲线)，特别是在所述流体是非牛顿流体时。

为此，首先可以改变和至少所述未知流体的流动相关的至少一个参数，如有必要，也可改变和所述基准流体的流动相关的至少一个参数。在这种情况下，流量的增大导致剪切率的相应变化。

另外，在参考图5和图6描述的第二种实施方式的情况下，同样可以改变测量所述速度场的位置。于是，在实际操作中，这等于是改变在所述微槽中实施测量的深度z的值。因此，该测量越接近所述微槽的底部，所述剪切率越小。相反地，远离所述微槽的底部的过程中，所述剪切率趋于增大。

本发明可以实现前面所述的目的。实际上，本发明可以借助极少量流体的使用以简单的方式确定流体的流变特性。另外，本发明给出的设备相对于由流变计构成的现有技术来说意味着操作次数的显著减少。

而且，微槽的使用可以通过所述未知流体的组分的流量变化以极简单的方式改变所述未知流体的组成。同样要注意到，本发明给出的设备的总体体积较现有技术中是公知流变计小很多。

同样要强调，本发明允许深入了解待研究流体的流变行为。因此，本发明不仅可以获得所述流体的黏度而且可以获得所述流体的流动曲线(流变曲线)。在这种情况下，本发明给出的设备具有和流变计类似的性能，且强于粘度计，特别是就其允许研究复杂流体而言。

光学手段的使用同样是有利的。实际上，这使本发明给出的设备变得大为简单。

也可以使用其它的技术测量所述界面的特性，比如使用电导率。

最后，使用不可溶混的未知流体和基准流体同样是有利的。实际上，这可以增大旨在确定所述未知流体的流变特性的操作的精度。相比较而言，可溶混流体趋向于通过扩散而混合，从而所述黏度测量是不准的。

下面描述应用本发明的各种例子。这些不同的例子只应用了所述确定装置101，而不使用所述混合装置1。

假设所述微槽104、106和126的截面约100微米。而且，所述上游微槽104和106的长度接近4毫米，而所述流动微槽126的长度约20毫米。最后，所述接合区域124的形状为圆锥状，锥顶角约为30°，其横截面S在和所述微槽104和106的接合处约为400微米。

例1

所述未知流体为甘油，而所述基准流体为水，实验在25℃下完成。为了绘出所述流动曲线，甘油的流量从1微升每小时变到10000微升每小时，而水的流量从1微升每小时变到10000微升每小时。对应每个值，测量了甘油流的宽度1。这可以得到下面显示于图7的曲线，其示出了应力随剪切率的变化。

这条曲线可以验证甘油的牛顿流体行为，即应力随剪切作用的线性变化。这条直线的梯度(coefficient directeur)可以得到所述黏度，并给出了一实验值877cp，所述实验值可与理论值890cp相比拟，误差小于2％。

例2

所述未知流体为十六烷(hexadécane)，而所述基准流体为水。考虑到所述两流体不可溶混，往水中加入临界胶体浓度(concentrationmicellaire critique)的十二烷基硫酸钠(SDS，sodium dodécyl sulfate)。该表面活性剂的加入有利于水和十六烷的平行流动。

十六烷以从1微升每小时到10000微升每小时的流量进入所述装置101中，而水也以介于1微升每小时和10000微升每小时之间的流量进入。对应每个流量值，测量了所述界面I的位置，即十六烷的流宽度l。这可以得到十六烷在25℃下的流动曲线，如之后图8所绘。

如同甘油的情况，所述实验曲线令人满意地示出了十六烷的牛顿流体行为。测得的黏度为2.1cp，这和介于2.2cp和2.3cp之间的理论数据很吻合。

例3

配制大胶束(micelles géantes)溶液，其形成了一种未知非牛顿流体。所述标注为胶束1的溶液为6％的CpCI-NaSal。另外，使用两种基准流体，分别是20cp和300cp的硅油。对应的实验在25℃的室温下完成。

胶束1的流量介于120微升每小时到10000微升每小时之间，而基准流体的流量介于1微升每小时和10000微升每小时之间。考虑到所述未知流体为非牛顿流体，使得其流宽度l小于所述微槽总宽度的大约20％。如此实验而得的流动曲线如之后附图9所绘。

例4

用8％的CpCI-NaSal胶束重复例3所实施的相同方案，所述胶束标注为胶束2。对应的流动曲线如之后附图10所绘。

在示出例3和例4的图上可以看到，实心符号对应流变计得到的结果，而空心符号对应于实施本发明给出的设备得到的结果。所述两流动曲线说明了大胶束的流变流体化(rhéofluidifiant)行为。另外，与传统流变计给出的结果的一致性是令人满意的。

例5

用摩尔质量为4000 000的聚环氧乙烷(polyoxyde d’éthylène)聚合物分别配制按质量4％和2％的溶液。所述溶液形成了一种未知非牛顿流体的流体，并和作为基准流体的20cp的硅油相组合。

实施和实施例3相同的方案，对应的流动曲线如之后附图11所绘。在图11上，不同的十字符号对应于应用本发明给出的设备实施的测量，而圆圈对应于现有技术的流变计进行的测量。实心圆圈对应于按质量4％的溶液，而空心圆圈对应于按质量2％的溶液。

针对该实验，所述微槽刻在PDMS板上，所述板上添加玻璃板，就像结合图1所描述的例子那样。温度等于24℃。

例6

用一种未知流体重复例5所实施的相同方案，所述未知流体为硅油在水中的多分散乳浊液(émulsion polydisperse)，而所述基准流体为黏度100cp的硅油。在附图12上，十字符号对应实施本发明给出的设备得到的量结果，而圆圈对应商品流变计得到的实验结果。

例7

用一种未知流体重复例5所实施的相同方案，所述未知流体为商品蛋黄酱，而所述基准流体为黏度100cp的硅油。在附图13上，十字符号对应于实施本发明给出的类似于例5和例6的设备进行的测量，而圆圈对应商品流变计进行的实验。

注意到，在示出例5到例7的图11到图13上，传统流变计给出的结果和实施本发明得到的结果的一致性是极其令人满意的。另外，所述例5到7突出了本发明可以应用于极其不同的各种流体，且本发明还可以得到具有非常小的值的黏度和剪切率。

例8

使用类似例3的大胶束溶液，即胶束1。另外，还应用相同的两种基准流体，实验按和例3类似的方案完成。

和例3的主要不同在于更小的胶束流量，该流量在此后介于1微升每小时和10000微升每小时之间，而基准流体的流量介于1微升每小时和10000微升每小时之间。这可以得到特别低的黏度值和剪切率。

应用本发明的另一设备进行了本发明的一系列测量，所述设备不同于前述例子的设备。实际上，在该设备中，所述微槽不刻于PDMS上，而刻于玻璃板上。在玻璃板上再安装另一玻璃板，添加于所述微槽上。

在附图14上，十字符号对应现有技术的流变计的测量结果，而实心圆圈对应上面所述的玻璃-玻璃板的测量结果。

观察到，即使对于极低的剪切率值，考虑到其和传统流变计得到的结果极其令人满意的一致性，这种利用刻在玻璃上的微槽的解决方案也是特别有利的。这说明，为了确定强亲水性的流体的流变特性，所述利用玻璃的解决方案是特别有利的。

实际上，在亲水流体的情况下，所述流体即使对于极小流动流量也基本上不易在玻璃璧附近形成耗尽层(couche de dépletion)。换句话说，借助玻璃的使用，所述未知流体沿槽的宽度方向不存在显著的浓度梯度，这就不会扭曲测量结果。实际上，所述未知亲水流体内含有的水不倾向于显著停滞于水流附近。

Claims (34)

1.一种确定未知流体(F₁)流变特性的方法，包含以下步骤：

使流变特性已知的基准流体(F₂)和流变特性待确定的所述未知流体(F₁)在流动微槽(126)中平行流动；

在所述平行流动中，识别表示所述两流体(F₁，F₂)之间的界面(I)的至少一个数据；和

基于所述或者每个识别的数据，确定所述未知流体的流变特性。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，表示所述界面(I)的所述或每个数据的识别包括所述界面及其附近(Z)的显示步骤。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，识别所述界面(I)的位置。

4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，测量所述流动微槽(126)中所述未知流体(F₁)的流宽度(l)。

5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，基于所述测得的宽度(l)，运用下述方程，以数字方式确定所述未知流体(F₁)的黏度(η₁)：

(1) $\frac{\∂u}{\∂x}(x,y,z)=0$

(2₁) $\frac{\∂P_i(x,y,z)}{\∂x}={\mathrm{\η}}_i(\frac{{\∂}^{2}u(y,z)}{{\∂}^{2}y}+\frac{{\∂}^{2}u(y,z)}{{\∂}^{2}z})$

(2₂) $\frac{\∂P_i(x,y,z)}{\∂y}=0$

(2₃) $\frac{\∂P_i(x,y,z)}{\∂z}=0$

(3)P_i(x，y，z)＝(P_i-出口*x＝P_i-入口*(L-x))/L

(4)Q_i＝∮u_i(y，z)dydz

(5)u₁＝u₂

(6)η₁γ₁＝η₂γ₂。

6.按照权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述未知流体为非牛顿流体，将所述未知流体的宽度(l)限制为低于所述流动微槽(126)的总宽度(L)的20％。

7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，通过增加所述基准流体和所述未知流体之间的流量比来限制所述流的宽度(l)。

8.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，确定所述界面(I)两边所述两流体(F₁，F₂)的速度场。

9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，通过测量分散于所述流体中的微粒(P₁-P₈)的速度确定所述速度场。

10.按照权利要求8或9所述的方法，其特征在于，通过运用所述界面(I)上的应力场的连续性方程，尤其是η₁γ₁＝η₂γ₂，确定所述未知流体的黏度，这里η₁和γ₁代表所述未知流体的黏度和剪切率，而η₂和γ₂代表所述基准流体的黏度和剪切率。

11.按照权利要求5或10所述的方法，其特征在于，基于所述黏度，通过变化所述剪切率，确定所述未知流体的流变曲线。

12.按照权利要求11所述的方法，其特征在于，改变至少所述未知流体流动的至少一个参数，尤其是所述流量或所述压强，从而改变所述剪切率。

13.按照权利要求8或9并结合权利要求12所述的方法，其特征在于，改变确定所述两流体的速度场的位置，从而改变所述剪切率。

14.按照权利要求1到13之一所述的方法，其特征在于，所述未知流体和所述基准流体不是可溶混的。

15.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，往所述未知流体和所述基准流体中的至少一个，尤其是所述基准流体中加入至少一种表面活性剂组分，以避免在所述平行流动中形成液滴。

16.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述未知流体是至少两种组分的混合物，且在使所述未知流体和所述基准流体平行流动之前混合所述至少两种组分。

17.按照权利要求16所述的方法，其特征在于，将所述至少两种组分引入混合微槽(34)中，所述混合微槽刻于易于吸收混合气体的材料中，且将所述混合气体引入所述混合微槽中。

18.按照权利要求17所述的方法，其特征在于，所述混合微槽刻于PDMS(聚二甲基硅氧烷)中，所述混合气体为空气。

19.实施按照前述权利要求之一所述的方法的设备，所述设备包含确定所述未知流体的流变特性的确定装置(101)，所述确定装置(101)包含：

形成尤其是板状的主体(102)；

流动微槽(126)，设置于所述主体(102)中，适于接纳所述未知流体和所述基准流体的平行流动；

将所述两流体引入所述流动微槽的引入部件(104，106)；

在所述平行流动中，识别表示所述两流体之间的界面(I)的至少一个数据的识别部件(200)；和

基于所述或者每个识别的数据，确定所述未知流体的流变特性的确定部件(202)。

20.按照权利要求19所述的设备，其特征在于，所述两流体的引入部件包含第一(104)和第二(106)上游微槽，所述微槽通向所述流动微槽(126)。

21.按照权利要求20所述的设备，其特征在于，所述两上游微槽(104，106)通过接合区域(124)和所述流动微槽(126)相连，所述接合区域的截面(S)沿所述流动微槽(126)方向减小，所述接合区域(124)尤其呈漏斗形状。

22.按照权利要求19到21之一所述的设备，其特征在于，所述识别部件包括摄像机(200)。

23.按照权利要求19到22之一所述的设备，其特征在于，所述确定部件包括计算机(202)。

24.按照权利要求19到23之一所述的设备，用于实施权利要求16到18之一所述的方法，其特征在于，所述设备还包含混合装置(1)，所述混合装置包含：

尤其呈板状的主体(2)，其由易于吸收混合气体的材料制成；

引入用于形成所述未知流体的组分的引入部件(4，6)；

用于混合所述组分的混合微槽(34)；

向所述混合微槽(34)中引入所述混合气体的引入部件(24)；和

出口(36)，所述出口和向所述流动微槽(126)中引入所述未知流体的引入部件(104)相连通。

25.按照权利要求24所述的设备，其特征在于，所述组分的引入部件包含引入所述组分的引入微槽(4，6)，所述微槽通向所述混合微槽(34)。

26.按照权利要求24或25所述的设备，其特征在于，所述混合气体的引入部件包含引入所述气体的引入微槽(24)，所述微槽通向所述混合微槽(34)。

27.按照权利要求24到26之一所述的设备，其特征在于，所述混合微槽34设有褶(34₁)，所述褶可以在所述组分的混合中产生碰撞，以利于组分的均匀化。

28.按照权利要求24到27之一所述的设备，其特征在于，所述混合装置(1)的主体(2)和/或所述确定装置(101)的主体(102)由PDMS(聚二甲基硅氧烷)制成。

29.按照权利要求24到27之一并结合权利要求28所述的设备，其特征在于，所述混合气体是空气。

30.按照权利要求24到29之一所述的设备，其特征在于，所述混合装置(1)的主体(2)和所述确定装置(101)的主体(102)是分离的。

31.按照权利要求19到27中的任意一条或者权利要求30所述的设备，其特征在于，所述流动微槽由玻璃壁界定。

32.按照权利要求19到31之一所述的设备，其特征在于，所述流动微槽(126)和/或所述上游微槽(104，106)和/或所述混合微槽(34)和/或所述组分引入微槽(4、6)和/或所述混合气体引入微槽(24)的横截面介于20到500微米之间，优选地介于50到200微米之间。

33.一种识别尤其具有有关流变性质的化合物，化合物的组合或者混合物的方法，所述方法包含以下步骤：

a)制备至少两种不同的产品、组合或者混合物；

b)通过权利要求1到18之一所述的方法和/或借助于权利要求19到31之一给出的设备测量至少一种流变特性；

c)识别具有有关流变性质的产品、组合或者混合物。

34.按照权利要求33所述的方法，其特征在于，所述混合物、组合或者混合物为下述化合物、组合或者混合物：用于涂覆的液体，比如油漆；用于油田或者气田开发的流体，用于植物病害防治混合物的流体，用于皮肤或者头发养护的流体，比如香波，沐浴露，化妆用品，皮肤养护乳，防晒产品，或者家居用流体，比如洗涤液，或者硬表面去污剂。

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