利用流变偏振成像技术（Rheo-Iris）分析机械 fibrillated 纤维素纳米纤维悬浮液的流动行为

《Langmuir》：Analysis of the Flow Behavior of Mechanically Fibrillated Cellulose Nanofibril Suspension by the Rheo-Polarized Imaging Technique (Rheo-Iris)

纤维素纳米纤丝（CNF）悬浮液的流变行为及其与微观结构演化的耦合机制研究。采用自研的“Rheo-Iris”流变偏振成像系统，通过恒剪切应力蠕变试验，结合偏振光成像技术，实时观测到不同应力下CNF网络结构的相变过程：低应力（≤10 Pa）下保持各向同性网状结构；近屈服应力（40 Pa）时形成螺旋状高双折射区域，结构沿涡流方向排列；高应力（200 Pa）下结构崩解，纤维沿流动方向定向排列。研究揭示了CNF悬浮液从弹性态到粘塑性流动的微观机制，阐明了屈服转变过程中非均匀各向异性结构的时空演化规律。

　　理解微结构变形动力学与胶体悬浮液整体流动行为之间的耦合关系，对于研究这类重要的软物质系统的基础理论和实际应用至关重要。在本研究中，我们使用了一种我们自主研发的“Rheo-Iris”流变极化成像系统，用于可视化流体在施加应力下的二维微结构变化。通过恒定剪切应力下的蠕变测试，我们观察到了材料的初始弹性响应、屈服过渡以及随后的粘塑性流动。同时，极化成像技术揭示了三种不同的滞后模式，这些模式取决于施加的剪切应力。在低应力（≤10 Pa）或应力施加后的小应变情况下，相位滞后保持均匀较低，微结构的取向轴分布随机，表明均匀分散的CNFs形成了各向同性的缠结网络结构。当应力接近屈服点（约40 Pa）时，出现了螺旋状的高滞后区域，取向轴偏转至60–85°远离流动方向。这种现象对应于形成类似念珠的结构，沿涡度方向排列，表现出空间非均匀的双折射效应和有序的微结构。在更高的应力（远高于屈服点，如200 Pa）下，这种“滚动”型的中观结构崩溃，较小的CNF聚集体沿流动方向排列，从而在整个视野中形成空间均匀的有序双折射。这两种情况代表了不同的纤维取向现象，而我们开发的非侵入式流变极化方法能够清晰地展示在施加应力下空间取向分布的变化。Rheo-Iris系统使我们能够在实时、定量分析下，研究在施加剪切应变或应力时内部微结构的演变，为探索软物质系统的取向动力学提供了强大的工具，从而开启了对胶体分散体系复杂流变学的新视角。

研究胶体悬浮液在外部力作用下的变形和流动行为是一个极其重要的课题，不仅有助于理解控制其基本流变行为的微结构机制，还对调整材料性能以满足实际应用需求具有重要意义。因此，这些系统从不同角度被广泛研究，包括实验和数值方法。胶体悬浮液的流变特性取决于诸如分散相浓度、形状、颗粒间相互作用以及剪切速率等变量。例如，当分散相浓度较低且颗粒之间无相互作用时，系统的粘度是牛顿型的，遵循爱因斯坦粘度公式。然而，随着浓度增加，颗粒之间的相互作用变得显著，导致粘度迅速上升，最终发生凝胶化。此外，当施加剪切时，许多悬浮液表现出明显的剪切变稀行为，即表观粘度下降。这种粘度的降低可以被解释为剪切作用下分散颗粒所形成的聚集微结构被逐步破坏。另一方面，某些系统中观察到了剪切增稠行为，即由于颗粒簇之间的碰撞速率增加，导致粘度上升，从而形成一种剪切诱导的“摇凝胶”，其中凝胶化过程是通过剧烈的摇晃实现的。

为了明确胶体悬浮液在施加剪切时表现出的流变行为，有必要动态且定量地评估分散颗粒形成的微结构在剪切作用下的破坏和塌陷过程，或者在流动条件下分散颗粒如何形成更加聚集的结构。分散颗粒的尺寸和在流动过程中形成的聚集中观结构的尺度从纳米到毫米不等。因此，评估每一尺度上微结构的演变对于理解其整体行为至关重要，从初级微结构的取向到由聚集形成的更高阶中观结构的组织。许多研究尝试通过结合整体机械流变测量和空间局部光学测量（流变光学）来研究流变特性与其分子起源之间的关系。传统的流变光学测量主要分为两类：流变显微镜和流变散射测量。流变显微镜使用光学显微镜和共聚焦激光显微镜技术，在剪切流下直接观察样品。例如，通过将CCD相机连接到旋转流变仪上，并使用透明同轴双圆柱夹具，可以观察到微纤维素（MFC）悬浮液中絮状物尺寸的过渡变化。研究表明，MFC悬浮液的絮状物尺寸随着剪切速率的增加而减小，但在低剪切速率范围内，絮状物尺寸逐渐增加，此时出现粘度平台区域。然而，这些测量仅从剪切停止后的静态图像中进行分析，无法在剪切过程中动态测量絮状物尺寸，这是由于在连续剪切过程中难以获得清晰且无模糊的图像。此外，使用光学显微镜观察微粒布朗运动和悬浮液在微通道中的流动，主要捕捉的是宏观流动特征，而难以动态捕捉分散颗粒经历的微结构聚集和破坏过程，因为这些聚集结构在剪切作用下会形成和崩溃。使用流变显微镜的一大挑战是其观察视野有限。在高剪切速率区域，聚焦多个分散颗粒变得困难，而受限的观察区域则限制了获得足够集合平均数据的能力。这些限制使得在这些条件下准确表征动态行为变得困难。

另一方面，散射方法通过使用小角中子散射（SANS）和小角X射线散射（SAXS）等技术，在傅里叶域中评估纳米至微米尺度的胶体悬浮液流动行为。例如，Shibayama等人对一种表现出剪切增稠行为的无机粘土矿物和聚乙二醇体系进行了流变SANS实验，并报告称在粘度增加的剪切速率范围内，SANS散射图谱中出现了各向异性。他们提出，当足够强的剪切施加时，吸附在单个粘土片层上的长PEO链会被剥离，但在剪切停止后又重新吸附并与相邻的粘土片层形成跨链接。然而，由于SANS束的强度较弱，需要1至30分钟的曝光时间才能获得完整的散射谱，因此结果不具备时间分辨性，并且在测量过程中存在由于不可逆剪切损伤而导致粘度逐渐变化的可能性。Akada等人则利用SAXS和超小角X射线散射（USAXS）技术，这些技术适合短曝光时间的时间分辨测量，观察了由二氧化硅颗粒和聚乙烯氧化物聚合物链组成的胶体悬浮液从液态向凝胶态的转变过程。SAXS可以评估数十纳米尺度的结构，而USAXS可以评估数百纳米尺度的结构。根据他们的报告，该系统在约10 s?1的剪切速率下表现出剪切增稠行为，此时USAXS谱图中沿涡度方向的散射强度增加，但SAXS获得的散射强度并未变化。这些结果表明，在几个十纳米尺度上，二氧化硅颗粒簇的分布没有变化，但由剪切诱导聚集形成的几个数百纳米尺度的簇则在流动方向上呈现广泛椭圆形的分布。所有这些研究都是基于纳米尺度的微结构变化来评估胶体悬浮液的流动行为。

此外，还有一些在微米尺度进行的流变光学研究使用了流变小角光散射（Rheo-SALS）测量。例如，Pignon等人研究了触变性粘土悬浮液的流动行为，并报告称在静止状态下，由于悬浮液的微结构，光学散射是各向同性的，但随着剪切速率的增加，散射模式增强于速度方向，并且在超过临界剪切速率后，散射模式再次变为各向同性。他们提出，这种结果可以被解释为在低剪切速率下，粘土片层的分散网络在流体动力学作用下排列和凝聚，形成“辊状”聚集体。这些辊状聚集体主要沿与流动方向垂直的方向（即涡度方向）排列，形成所谓的“滚动”状态。当剪切速率超过临界值时，无法进一步凝聚，辊状聚集体被逐渐分解为更小的部分。这种解释与关于流动过程中聚集体解聚的理论研究一致。Belzung等人通过研究含有缔合聚合物的乳胶粒子悬浮液，确认了分散颗粒在施加剪切时形成沿涡度方向排列的聚集结构。此外，不仅在触变性悬浮液中观察到了涡度方向的取向行为，而且在表现出剪切增稠行为的粘土矿物-表面活性剂悬浮液中也观察到了类似现象。

预计结合流变SALS、SAXS和USAXS测量，将能够在从单个分散颗粒尺度（初级结构）到聚集体空间组织尺度（更高阶中观结构）的多个尺度上进行结构观察。将机械整体流变测量与时间分辨散射技术相结合，可以提供在各种流动条件下结构动态的全面视角，从而增强我们对复杂材料微结构动态演变及其流变响应的理解。然而，尽管这些散射技术能够进行点测量，但获得的微结构信息仅限于被入射束（如准直光或X射线源）照射的局部区域。这使得我们能够局部评估集合平均信息，但无法获得在流动尺度上微结构的空间分布。因此，对形成空间异质结构的胶体悬浮液进行二维时间分辨成像，以定量评估其流动行为，具有极其重要的意义。为此，我们使用了一种新的流变光学设备，该设备结合了平行板流变仪配置和高速极化相机，能够进行二维动态极化分析，以研究各向异性胶体颗粒悬浮液的流动行为以及在施加剪切条件下的微结构演变。

Sato等人使用配备高速极化相机的流变光学设备，对TEMPO氧化的CNF悬浮液进行了应力阶跃测试，以明确屈服行为与结构演变之间的关系。根据他们的报告，在应力阶跃测试中观察到了两步屈服行为，并且在三个区域中，滞后分布和取向轴表现出特征模式。然而，对屈服过渡附近滞后分布的空间和时间跟踪，以及对剪切诱导微结构变化的定量分析尚未被详细研究。在本研究中，我们使用上述流变光学设备，通过恒定应力（蠕变测试）来探索经过机械处理的CNF悬浮液的微结构演变。我们跟踪了在逐渐增加的恒定应力下，样品内部结构随时间的变化。由于在胶体悬浮液中，剪切诱导的微结构的彩色环形图像类似于虹膜，因此我们将这种设备称为“Rheo-Iris”，意为它为复杂流体流变学打开了新的视野。

本研究中，我们通过“Rheo-Iris”设备对CNF悬浮液进行了流变极化成像（Rheo-PI）测量。设备的入射光从光源发出，通过设置为0°的偏振器和设置为45°的四分之一波片，成为圆偏振光。圆偏振光穿过样品后，其相位差（Δ）和取向轴（φ）在空间上发生变化，随后穿过线性偏振器（分析器，其快轴方向为0°、45°、90°或135°），最终由光电探测器测量光强分布。通过这种技术，我们能够实时测量样品内部结构的演变。在实验中，我们使用了开源软件Fiji-ImageJ ver. 1.54p将极化图像转换为8位黑白图像，并使用阈值123进行图像二值化处理。图12展示了在40 Pa应力下，极化图像在0、40、80和120秒时的二值化形式。这些图像中，局部高滞后区域的形状被假设为圆形或椭圆形，并通过ImageJ的“分析粒子”命令检测其边界。随后计算了主轴（长度）和次轴（宽度）的平均值，并最终研究了它们的长宽比随时间的变化（见图13）。结果表明，局部高取向区域的长宽比随时间增加，并在约100秒后逐渐趋于稳定。这种行为与图9中Δ_avg的变化相似，因此当施加的应力接近屈服值时，高滞后区域随时间形成并沿主轴方向排列。

在本研究中，我们还对不同应力下CNF悬浮液的微结构演变和取向行为进行了分析。在低于屈服应力的情况下，或者在施加较大剪切应力后不久，整个测量区域的滞后值较低，且取向轴呈随机分布。这表明，在样品静止或受到极小应变变形时，CNF纤维形成了具有广泛缠结的各向同性网络结构。当应力值接近屈服点时，滞后和取向轴的变化随时间逐渐出现。在40 Pa应力下，形成了螺旋状的高滞后区域，且局部滞后分布的空间非均匀性表明形成了局部高各向异性微结构。时间分辨图像显示，样品内部同时存在高度有序和无序的微结构区域。此外，取向轴逐渐从90°（涡度方向）向60°（流动方向）变化，这一现象与CNF聚集体在剪切作用下从涡度取向逐渐向流动方向取向的过程一致。当施加较大的剪切应力时，CNF聚集体或纤维在流动方向上高度取向的相互作用被逐步破坏，空间非均匀性从外边缘（积累应变最大的区域）向中心传播，导致流动方向上的微结构逐渐崩溃。最终，只有沿涡度方向取向的微结构残留，形成螺旋状的高滞后区域。换句话说，当剪切应力接近屈服区域时，凝胶的光学滞后被认为是由多个CNF聚集体在涡度方向上形成的螺旋状结构的空间非均匀排列和取向所致。此外，局部取向轴并未完全垂直于流动方向，而是向外边缘逐渐减小。这是因为平行板的剪切运动在径向向外的方向上产生更大的应变，导致外边缘附近的CNF聚集体更迅速地沿流动方向取向。这种螺旋状的极化图像在以往的研究中并未观察到，而之前的实验中使用的CNF为TEMPO氧化型，其纤维厚度为数纳米，长度小于1微米，相较于本研究中使用的机械纤维化处理得到的CNF更短更细。尽管前文未明确说明，但对短纤维CNF并未观察到清晰的螺旋图像。因此，悬浮液中CNF的浓度和长度可能是关键因素，只有当纤维长度超过一定阈值并发生缠结时，才可能形成沿流动方向取向的微结构。

当施加60 Pa的应力时，出现了与40 Pa应力下相似的螺旋状滞后模式，但外边缘附近的滞后值随时间减小。这可能是由于沿流动方向取向的CNF纤维或聚集体在更大的积累应变和更高的局部剪切速率下逐渐变小并最终崩溃。当施加200 Pa的应力（远高于屈服应力）时，整个测量区域的滞后值迅速增加，且滞后值在中心区域局部增加，因为该区域的剪切速率较低。此外，取向轴在整个区域中均沿流动方向排列。基于这些结果，可以推断在屈服过渡过程中形成的“滚动”状态，由于强剪切流的作用而被破坏，较小的CNF聚集体被拉伸并沿流动方向取向，最终表现出空间均匀的有序双折射。因此，我们观察到的更高平均滞后值，反映了由于大量较小CNF聚集体沿流动方向集体取向而产生的空间非均匀有序双折射的积分平均，而不是由多个CNF聚集体形成的宏观结构。

图14展示了一个概念图，总结了本研究的结果。当样品处于静止或受到非常小的应变变形时，CNF纤维形成了具有广泛缠结的各向同性渗透网络结构。随着施加应力的增加，分散的CNF聚集体的渗透网络结构逐渐变得不稳定，空间非均匀性从外边缘（积累应变最大的区域）向中心逐渐形成和传播。当施加的应力接近屈服点时，样品变形迅速增加，空间非均匀性进一步发展，破坏了渗透网络结构，形成了沿涡度方向排列的“滚动”状态，导致局部有序双折射的出现。最后，当施加的应力远高于屈服点时，这些“滚动”结构被破坏，沿涡度方向的取向崩溃，较小的CNF聚集体被拉伸并沿流动方向取向，最终表现出空间均匀的有序双折射。因此，这种新的成像方法首次揭示了在粘弹性胶体凝胶的屈服过渡过程中，空间取向分布显著依赖于施加的应力。

“Rheo-Iris”系统使我们能够在实时条件下评估外部剪切应力作用下复杂凝胶材料内部中观异质性和微结构取向的时空变化，这对于阐明屈服和随后流动的基本机制具有重要价值。该设备的光学配置测量了1–3平面（速度-涡度平面）中的滞后值。未来，我们希望进一步开发测试夹具，使用同轴双圆柱结构，以实现对1–2平面（即速度-速度梯度平面）中滞后值的成像。这些新的见解强烈表明，结合流变极化成像技术（“Rheo-Iris”）与直接时间分辨的应力/应变/变形速率关系测量，将有助于揭示广泛复杂流体的非线性流变学与局部微结构演变之间的关系，不仅限于吸引性的胶体悬浮液。