[发明专利]一种测量孔喉尺度弹性微球弹性模量的装置及方法

权利要求书

1.一种测量孔喉尺度弹性微球弹性模量的装置，其特征在于：包括微量泵、阀门、中间容器、过滤器、压力传感器、第一毛细管连接器、第二毛细管连接器、等径毛细管、产液收集器、计算机、三维视频显微镜、热水循环加热器和恒温循环水浴，所述微量泵通过管线和阀门依次与中间容器、过滤器、压力传感器、第一毛细管连接器、第二毛细管连接器和产液收集器相连；所述第一毛细管连接器和第二毛细管连接器之间连接有等径毛细管，连接处用聚酰亚胺密封树脂进行密封；所述压力传感器通过第一数据线与计算机相连；所述三维视频显微镜置于第一毛细管连接器和第二毛细管连接器和等径毛细管的上方，所述三维视频显微镜通过第二数据线与计算机相连；所述热水循环加热器置于第一毛细管连接器、第二毛细管连接器和等径毛细管的下面，所述热水循环加热器上设置有进水管和出水管与恒温循环水浴相连。

2.根据权利要求1所述的一种测量孔喉尺度弹性微球弹性模量的装置，其特征在于：所述微量泵流速的可调范围为0.001～1200mL/h；所述中间容器用于存放待测样品；所述第一毛细管连接器和第二毛细管连接器的长度为10.0mm，外径为2.00±0.50mm，内径为0.250±0.050mm；所述等径毛细管的长度为5.0mm，外径为0.250±0.010mm，内径为0.025±0.003mm；所述压力传感器的测量精度为0.001kPa，采集频率为5次/s；所述三维视频显微镜内配套设置有图像采集分析软件用以录像和对长度进行测量，录像速度上限为360帧/s，长度测量精度为0.001μm；所述恒温循环水浴能控制第一毛细管连接器、第二毛细管连接器和等径毛细管中流体的温度。

3.根据权利要求1所述的一种测量孔喉尺度弹性微球弹性模量的装置，其特征在于：利用上述装置测量孔喉尺度弹性微球弹性模量的方法包括以下步骤：

(1)利用三维视频显微镜的长度测量功能测量等径毛细管的内径d；

(2)用矿化度为C_s的NaCl溶液配制质量浓度为c的孔喉尺度弹性微球悬浮液，并置于中间容器中；

(3)设定恒温循环水浴温度t和平流泵流速v，驱替中间容器中的孔喉尺度弹性微球悬浮液，经过滤器、压力传感器进入毛细管连接器和等径毛细管中；

(4)利用三维视频显微镜的录像功能记录单个孔喉尺度弹性微球流经毛细管连接器和等径毛细管过程中的微观动态图像；

(5)与步骤(4)同时，利用压力传感器记录步骤(4)所述的单个孔喉尺度弹性微球流经毛细管连接器和等径毛细管过程中，毛细管连接器两端的最大压力降ΔP；

(6)利用三维视频显微镜的长度测量功能测量步骤(4)所述的单个孔喉尺度弹性微球的原始直径D；

(7)当孔喉尺度弹性微球的直径D大于等径毛细管的内径d时，孔喉尺度弹性微球在等径毛细管的入口处堵塞，产生附加流动阻力，当注入压力升高到一定值时，孔喉尺度弹性微球发生弹性变形，逐渐进入等径毛细管中；当孔喉尺度弹性微球完全进入等径毛细管中时，孔喉尺度弹性微球的弹性变形率达到最大值，此时的附加流动阻力也达到最大值；根据胡克定律，ΔP_m表示为：

ΔP_m＝E·ε  (1)

式中：ΔP_m为孔喉尺度弹性微球完全进入等径毛细管中时所产生的附加流动阻力，kPa；E为孔喉尺度弹性微球的弹性模量，kPa；ε为孔喉尺度弹性微球的最大弹性变形率，无因次；

孔喉尺度弹性微球的最大弹性变形率用孔喉尺度弹性微球的最大截面形变率来描述，即：

ϵ=ΔSS=πD24-πd24πD24=1-d2D2,(D>d)---(2)]]>

式中：ΔS为孔喉尺度弹性微球的最大截面变化量，μm²；S为孔喉尺度弹性微球的原始截面积，μm²；D为孔喉尺度弹性微球的原始直径，μm；d为等径毛细管的内径，μm；

在较低的流速条件下，将孔喉尺度弹性微球在等径毛细管中的流动看作层流，则单个孔喉尺度弹性微球流经毛细管连接器和等径毛细管过程中，毛细管连接器两端的最大压力降ΔP可表示为：

ΔP=ΔP_l+ΔP_m  (3)

式中：ΔP_l为毛细管连接器和等径毛细管中液体粘性流动引起的沿程压力降，Pa；

记对某一特定的流速，毛细管连接器和等径毛细管中液体粘性流动引起的沿程压力降近似看作常数，即ΔP_l=C，则公式(1)可变换为：

Y=EX+C  (4)

根据实际测得的d、D、ΔP数据，绘制Y～X的关系曲线，其形成直线的斜率即为温度t和矿化度C_s条件下孔喉尺度弹性微球的弹性模量E，直线的截距为流速v条件下毛细管连接器和等径毛细管中液体粘性流动引起的沿程压力降ΔP_l。