流场下纳晶纤维素稳定乳液体系的形态演变与调控研究

Pickering emulsions stabilized by nanocrystalline cellulose (NCC) that can assembly at the oil-water interface, have important application prospect in food, cosmetic, medicine and other fields. This project is based on the special response of multiscale structures on rheological parameters in emulsion system. Firstly, the aggregation behavior of NCC under flow will be studied. We will investigate the effects of different conditions on the formation and transformation of the aggregate structures, and get the relationship among macroscopic rheological properties, microstructures and driving forces in the aggregates. Secondly, the adsorption behavior and aggregation model of NCC at the interface will be discussed. The characteristic parameters of the relaxation process at the interface will be obtained by interfacial rheological analysis, and the conditions of NCC to stabilize the interface will be optimized. Lastly, the microstructure development of the emulsion droplets stabilized by NCC, including deformation, relaxation, coalescence and fragmentation, will be examined under the flow field. The microstructure evolution will be correlated with the rheological properties, and the corresponding mathematical models will be built. Combined rheology with online light scattering system and supplemented with off-line characterization technique, the law of microstructure evolution for NCC stabilized emulsions under flow will be clarified. Moreover, the interface construction method will be proposed to produce emulsions with adjustable shape and size. The results of this project can provide scientific basis on preparation, structure regulation and functionalization of Pickering emulsions.

纳晶纤维素（NCC）作为稳定剂在油水界面组装构建的Pickering乳液在食品、化妆品、医药等领域具有重要的应用前景。本项目基于乳液体系多尺度结构在流变学参数上的特殊响应，首先研究流场作用下NCC的聚集行为，考察不同条件对聚集结构形成和转化的影响，阐明聚集体系的宏观流变特性、微观结构和驱动力之间的相互关系；其次探讨NCC在界面上的吸附行为与聚集模式，采用界面流变学分析方法，获得界面微观弛豫过程的特征参数，优化NCC界面稳定特性；最后考察NCC稳定乳液液滴在流场下的变形、松弛、聚结和破碎等微观结构动力学行为，将其与流变性能进行关联分析，建立相应的数学模型。本项目注重采用流变与在线光散射系统联用，辅以离线表征技术来研究流场中NCC稳定乳液的形态演变规律，并在此基础上提出通过界面构筑来制备形态、尺寸可调的乳液结构的方法，为Pickering乳液的设计制备、结构调控和功能化提供科学依据。

纳米纤维素具有的棒状结构和各向异性特点，使其成为研究胶体相态转变过程的理想模型。本项目构建了基于纳晶纤维素和纳米纤维素纤维的两种凝胶和乳液体系。以流变学方法为主要手段，重点表征纳米纤维素凝胶与乳液体系的大振幅振荡剪切响应行为，获得剪切诱导相态转变的流变指纹特征，用于相态转变的精细识别；探索剪切作用下体系的各种应力弛豫模式的耦合与竞争，利用量纲分析和标度理论建立表达流变响应和微观结构演化关系的计算关联式，获得了剪切诱导相变的内在规律和关键参数。.考察了两种纳米纤维素在水相中的凝胶相变行为，表征了其微观结构的演变及在稳态剪切场中的聚集与解聚性质，分析了凝胶体系的宏观流变特性、微观结构和驱动力之间的相互关系，建立含有聚集体形态参数的解聚数学模型。.分析了影响纳米纤维素在油水界面吸附和自组装行为的关键因素，测定了纳米纤维素在油/水界面上的吸附动力学和界面膜流变特性，通过数学经验公式拟合出纳米纤维素的有效扩散系数；提出了环糊精与纳米纤维素在油水界面的协同吸附模式和自组装行为。.选择纳米纤维素作为乳液稳定剂和环糊精乳液絮凝抑制剂，研究了大振幅振荡剪切下基于纳米纤维素的凝胶及乳液的流动过程，分析了粘弹性模量随应变、应变速率和频率之间的变化规律，探讨了线性流变性质及屈服行为与微观结构变化之间的联系；利用Lissajous曲线描述了瞬时应力与应变和应变速率间的关系；应用Fourier流变学方法，分析非线性应力曲线中高次谐波，建立三次倍频相对强度（即三次倍频强度/一次倍频强度）以及非线性参数Q与应变的计算公式。结果表明，表观的粘弹性模量改变不足以描述凝胶及乳液体系的屈服转变过程和絮凝抑制机理，而Fourier变换流变学获得的非线性参数可以有效反映体系的内部结构和流动状态信息，对其结构与功能的设计提供重要指导意义。