一种分析致密胶体老化机理的方法

摘要

本发明公开了一种分析致密胶体老化机理的方法，采用扩展对数扩散率定量化致密胶体老化过程中胶体粒子微观运动的均方位移，然后结合致密胶体老化的试验条件和试验数据，计算扩展对数扩散率参数的值，最终确定该致密胶体老化的扩展对数扩散率，从特慢扩散角度微观分析致密胶体老化的机理。本发明扩展对数扩散率包含两个参数，扩展对数扩散率的阶数和速率指数。其中扩展对数扩散率的阶数刻画了致密胶体老化过程偏离对数扩散率的程度，速率指数描述了致密胶体老化过程的特征速率。扩展对数扩散率是对数扩散率的推广，满足扩展对数扩散率的老化过程称为扩展对数特慢老化过程。该发明有广泛的工程应用前景，可用于高性能聚合物材料的生产、药物载体的开发等。

权利要求

1.一种分析致密胶体老化机理的方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)选定致密胶体作为研究对象，确定胶体粒子的个数N和观测时间间隔tw，并通过粒子追踪试验方法获取老化过程中胶体粒子的运动轨迹；

(2)结合步骤(1)中的运动轨迹，计算N个胶体粒子的平均均方位移＜r2(t)＞；

其中＜ri2(t)＞为第i个胶体粒子的均方位移，该均方位移通过第i个胶体粒子在不同时刻t的位置计算得到；

(3)采用扩展对数扩散率描述致密胶体粒子的均方位移；

＜r2(t)＞～(lntα)λ

其中，0＜α≤1为扩展对数扩散率的阶数，直接刻画致密胶体老化过程偏离对数特慢过程的程度，λ＞0描述了致密胶体老化过程的特征速率，称为速率指数；

(4)结合步骤(2)中的均方位移＜r2(t)＞，计算步骤(3)中扩展对数扩散率中参数的值；

(5)验证步骤(3)中的扩展对数扩散率，并将满足扩展对数扩散率的老化过程称为扩展对数特慢老化过程。

2.根据权利要求1所述的分析致密胶体老化机理的方法，其特征在于：步骤(3)也可采用扩展对数扩散率的等价形式，即＜r2(t)＞～(αlnt)λ

其中，α为扩展对数扩散率的阶数，λ为速率指数。

3.根据权利要求1或2所述的分析致密胶体老化机理的方法，其特征在于：步骤(4)采用最小二乘法确定扩展对数扩散率的阶数α和速率指数λ。

4.根据权利要求1所述的分析致密胶体老化机理的方法，其特征在于：步骤(5)变换不同的观测时间间隔tw，重复步骤(2)～(4)，确定该致密胶体老化过程的扩展对数扩散率。

说明书

一种分析致密胶体老化机理的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种胶体，具体涉及一种分析胶体老化机理的方法。

背景技术

[0002] 胶体已广泛用于机械、工业和医学等领域，如在聚合物中加入固态胶体粒子，可以改进材料的耐冲击和耐断裂强度等性能；纳米材料的制备，塑料和橡胶等的制造过程都会用到胶体；医学上将磁性物质制成胶体粒子，作为药物的载体，在磁场作用下将药物送到病灶。而胶体的老化会直接影响胶体的性能以及在使用过程中发挥的作用，因此，明确胶体的老化机理是正确和有效使用胶体的重要前提。

[0003] 现有技术表明，胶体在老化过程中胶体粒子的微观运动规律决定了胶体老化的物理状态。低密度胶体粒子的运动过程是一个布朗运动，而致密胶体中胶体粒子的运动过程表现为时空非均质性，具有时间依赖性，属于一类特慢扩散过程。目前比较直接的技术手段是，采用对数扩散率分析致密胶体粒子的均方位移，从微观粒子运动的角度分析胶体粒子的老化机理。然而，大量试验数据表明，致密胶体老化过程中胶体粒子的均方位移不总是服从对数扩散率，甚至出现了比对数扩散率增长更慢的情况。

[0004] 在国内外，已有多项专利技术应用于老化，如发明专利CN201410686077.9“一种利用变活化能分析硅橡胶老化机理的方法”基于化学测试物理性能分析，通过活化能分析硅橡胶的老化机理；发明专利CN201410154118.X“一种确定有机玻璃人工加速与使用老化当量关系的方法”通过建立当量加速老化时间模型，结合疲劳性能测试验证；US13654598“Device and method for determining the state of ageing of a hydraulic fluid of a hydraulic system of a vehicle”给出了一种确定液压系统中不同液压流体组分老化的装置；CN201210502477.0“一种基于核磁共振的交联聚乙烯电缆老化程度评估方法”通过核磁共振分析仪测试电缆内部结构，建立老化程度与时间和温度之间的关系，估计老化状态。

[0005] 上述现有的专利技术方法，未直接从扩散的角度微观分析老化的机理，且其中涉及的对数扩散率有明显的局限性，不能够全面准确地刻画致密胶体老化过程中胶体粒子的均方位移规律。

发明内容

[0006] 发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可准确描述胶体老化过程的分析致密胶体老化机理的方法。

[0007] 技术方案：本发明提供了一种分析致密胶体老化机理的方法，包括以下步骤：

[0008] (1)选定致密胶体作为研究对象，确定胶体粒子的个数N和观测时间间隔tw，并通过粒子追踪试验方法获取老化过程中胶体粒子的运动轨迹；

[0009] (2)结合步骤(1)中的运动轨迹，计算N个胶体粒子的平均均方位移＜r2(t)＞；

[0010]

[0011] 其中 为第i个胶体粒子的均方位移，该均方位移通过第i个胶体粒子在不同时刻t的位置计算得到；

[0012] (3)采用扩展对数扩散率描述致密胶体粒子的均方位移；

[0013] ＜r2(t)＞～(lntα)λ

[0014] 其中，0＜α≤1为扩展对数扩散率的阶数，直接刻画致密胶体老化过程偏离对数特慢过程的程度，λ＞0描述了致密胶体老化过程的特征速率，称为速率指数；

[0015] (4)结合步骤(2)中的均方位移＜r2(t)＞，计算步骤(3)中扩展对数扩散率中参数的值；

[0016] (5)验证步骤(3)中的扩展对数扩散率，并将满足扩展对数扩散率的老化过程称为扩展对数特慢老化过程。

[0017] 进一步，步骤(3)也可采用扩展对数扩散率的等价形式，即

[0018] ＜r2(t)＞～(α ln t)λ

[0019] 其中，α为扩展对数扩散率的阶数，λ为速率指数。

[0020] 进一步，步骤(4)采用最小二乘法确定扩展对数扩散率的阶数α和速率指数λ。

[0021] 进一步，步骤(5)变换不同的观测时间间隔tw，重复步骤(2)～(4)，确定该致密胶体老化过程的扩展对数扩散率。

[0022] 发明原理：目前，从微观机理上讲，通常将粒子的运动过程分为布朗运动、反常扩散和特慢扩散。布朗运动中，粒子的均方位移为时间的线性函数，即

[0023] ＜r2(t)＞～t

[0024] 反常扩散中，粒子的均方位移为时间的幂律函数，即

[0025] ＜r2(t)＞～tα

[0026] 当α＞1时为快扩散，α＜1时为慢扩散。

[0027] 特慢扩散中，粒子的均方位移为时间的对数函数，即

[0028] ＜r2(t)＞～(lnt)λ

[0029] λ＞0为速率指数。

[0030] 研究发现，致密胶体老化过程中胶体粒子的运动过程不是布朗运动，而是一类特慢扩散。然而，大量试验表明，致密胶体的均方位移不总是时间的对数扩散率，甚至出现比对数扩散率增长更慢的情况。为克服对数扩散率在解释致密胶体老化现象中的局限性，本发明提出了扩展对数扩散率。本发明的方法需要两个参数，其中扩展对数扩散率的阶数直接刻画了致密胶体老化过程偏离对数扩散率的程度，阶数越小，实际微观老化过程偏离对数特慢扩散的程度越高。

[0031] 有益效果：本发明采用扩展对数扩散率定量化致密胶体老化过程中胶体粒子微观运动的均方位移，然后结合致密胶体老化的试验条件和试验数据，计算扩展对数扩散率参数的值，最终确定该致密胶体老化的扩展对数扩散率，从特慢扩散角度微观分析致密胶体老化的机理。本发明扩展对数扩散率包含两个参数，扩展对数扩散率的阶数和速率指数。其中扩展对数扩散率的阶数刻画了致密胶体老化过程偏离对数扩散率的程度，速率指数描述了致密胶体老化过程的特征速率。扩展对数扩散率是对数扩散率的推广，满足扩展对数扩散率的老化过程称为扩展对数特慢老化过程。该发明有广泛的工程应用前景，可用于高性能聚合物材料的生产、药物载体的开发等。

附图说明

[0032] 图1为本发明方法流程图；

[0033] 图2为扩展对数扩散率描述短时间观测间隔下胶体粒子的均方位移与其他扩散率的对比图；

[0034] 图3为扩展对数扩散率描述长时间观测间隔下胶体粒子的均方位移与其他扩散率的对比图。

具体实施方式

[0035] 下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

[0036] 实施例：一种分析致密胶体老化机理的方法，如图1所示，具体操作步骤如下：

[0037] (1)本实施例选择致密胶体玻璃作为研究对象，通过粒子追踪试验方法，采用共聚焦显微镜观测标记胶体粒子在老化过程中的运动轨迹，观测时间间隔分别为tw1＝1s和tw1＝20s，其中胶体粒子的个数为2400，粒子的半径为1.18微米。

[0038] (2)采用步骤(1)中粒子的运动轨迹，计算胶体粒子的均方位移，两种不同观测时间间隔下胶体粒子均方位移的增长趋势，分别见图2和图3中标记的试验数据。

[0039] (3)采用对数扩展扩散率＜r2(t)＞～(lntα)λ描述致密胶体粒子的均方位移，并结合步骤(2)中计算得到的均方位移数据，考察致密胶体玻璃老化的扩展对数扩散率。

[0040] (4)通过最小二乘法确定步骤(3)中扩展对数扩散率参数的值。表1给出了不同观测时间间隔下扩展对数扩散率参数的值。同时验证了对数扩展扩散率＜r2(t)＞～(lntα)λ的等价形式＜r2(t)＞～(αlnt)λ，两者结果相同。由表1可知，扩展对数扩散率的阶数均不为1，表明致密胶体玻璃老化过程不服从对数扩散率。不同观测时间间隔下扩展对数扩散率参数的值相同，说明了扩展对数扩散率的稳定性。此外，速率指数的值接近0.5，可见对数率也是经典Harris扩散率的一种推广。

[0041] 表1不同观测时间间隔下，致密胶体玻璃老化扩展对数扩散率参数的值[0042]

[0043] (5)两个不同的观测时间间隔即为不同的试验条件。采用步骤(2)中均方位移的数据和步骤(4)中表1的参数值，描绘扩展对数扩散率模拟不同观测时间间隔下均方位移的曲线，并与幂律扩散率和对数扩散率的模拟结果比较，分别见图2和图3。由图2和图3可见，两种观测时间间隔下胶体粒子的均方位移近似为扩展对数扩散率，扩展对数扩散率与试验的结果最吻合。表2和表3分别给出了三种扩散率模拟均方位移的均方根误差。由表2和表3可知，与其他两种扩散率相比，扩展对数扩散率模拟结果的误差最小。由此可知，致密胶体玻璃的老化过程为扩展对数特慢老化过程，其对应的扩展对数扩散率可以准确描述致密胶体老化过程中胶体粒子的均方位移，扩展对数扩散率的阶数刻画了致密胶体老化过程偏离对数特慢过程的程度。

[0044] 表2观测时间间隔为1s下，三种扩散率模拟胶体粒子均方位移的均方根误差[0045]

[0046] 表3观测时间间隔为20s下，三种扩散率模拟胶体粒子均方位移的均方根误差[0047]

[0048] 本发明采用扩展对数扩散率定量化致密胶体老化过程中胶体粒子微观运动的均方位移，然后结合致密胶体老化的试验条件和试验数据，计算扩展对数扩散率参数的值，最终确定该致密胶体老化的扩展对数扩散率，从特慢扩散角度微观分析致密胶体老化的机理。该发明的特点是扩展对数扩散率包含两个参数，扩展对数扩散率的阶数和速率指数。其中扩展对数扩散率的阶数刻画了致密胶体老化过程偏离对数扩散率的程度，速率指数描述了致密胶体老化过程的特征速率。扩展对数扩散率是对数扩散率的推广，满足扩展对数扩散率的老化过程称为扩展对数特慢老化过程。该发明有广泛的工程应用前景，可用于高性能聚合物材料的生产、药物载体的开发等。