第八章胶体流变学

1、1 2 流变学流变学是研究物质在外力作用下流动与形变的科学，所是研究物质在外力作用下流动与形变的科学，所 以涉及范围很广，大至土木建筑、冰川的移动，小到细胞和以涉及范围很广，大至土木建筑、冰川的移动，小到细胞和 微生物的蠕动。在胶体化学范围内的流变学，首先要明确有微生物的蠕动。在胶体化学范围内的流变学，首先要明确有 关胶体体系各种力学性质的名词概念，这些力学性质反映了关胶体体系各种力学性质的名词概念，这些力学性质反映了 胶体的内在微观结构。如果单从流变性质来揭示胶体内部结胶体的内在微观结构。如果单从流变性质来揭示胶体内部结 构，这是不可能的，因为胶体体系的流变性质不仅是单个粒构，这是不可能的，

2、因为胶体体系的流变性质不仅是单个粒 子性质的反映，而且也是粒子与粒子之间以及粒子与溶剂之子性质的反映，而且也是粒子与粒子之间以及粒子与溶剂之 间相互作用的结果。间相互作用的结果。 流变学涉及的问题十分复杂，当前流变学的研究只停留流变学涉及的问题十分复杂，当前流变学的研究只停留 在定性说明阶段。然而在工业上却有着十分重要地位，例如，在定性说明阶段。然而在工业上却有着十分重要地位，例如， 钻井泥浆、油漆、橡胶、塑料、纺织、食品等工业的产品质钻井泥浆、油漆、橡胶、塑料、纺织、食品等工业的产品质 量，或工艺流程的设置，往往取决于它的流变性质。本章只量，或工艺流程的设置，往往取决于它的流变性质。本章只

3、讨论流变学的一些最基本的概念和现象讨论流变学的一些最基本的概念和现象, ,研究对象也仅限于固研究对象也仅限于固 体分散在液体中的溶胶或悬浮体。体分散在液体中的溶胶或悬浮体。 3 8.1 黏度及流型 黏黏度是液体流动时所表现出来的内摩擦。为定量地表示某种液体的度是液体流动时所表现出来的内摩擦。为定量地表示某种液体的 粘度的定义，作如下假设：若在两平行板间盛以一种液体，一块是静止粘度的定义，作如下假设：若在两平行板间盛以一种液体，一块是静止 的，另一块板以速度的，另一块板以速度v v向向x x方向作匀速运动，如果将液体沿方向作匀速运动，如果将液体沿y y方向分成许多方向分成许多 薄层，那么各液层向

4、薄层，那么各液层向x x方向的流动速率随方向的流动速率随y y方向变化，如图方向变化，如图1 1所示，用长短所示，用长短 不同带有箭头、相互平行的线段表示各层流体的速率，这样的示意线段不同带有箭头、相互平行的线段表示各层流体的速率，这样的示意线段 称为流线，液体的这种形变称为切变。称为流线，液体的这种形变称为切变。 图图1 1 两平面间的两平面间的黏黏性流动性流动 若用速率梯度若用速率梯度d ddydy来表示切变，这来表示切变，这 种切变也称为切速率，简称切速。它表示种切变也称为切速率，简称切速。它表示 每层液体的流速每层液体的流速v v与距离与距离y y有关。为了维持有关。为了维持 某一切速

5、率，则要对上面平行板施加一恒某一切速率，则要对上面平行板施加一恒 定的力定的力 F F，此力称为切力。若板的面积是，此力称为切力。若板的面积是A A， 则切力与切速率应服从以下公式：则切力与切速率应服从以下公式： （1） 4 令令D D表示切速率，表示切速率，表示单位面积上的切力，则表示单位面积上的切力，则 式中，式中，为切力与切速率之间的比例系数，称为该液体的粘为切力与切速率之间的比例系数，称为该液体的粘 度。凡是服从这种简单比例关系的液体均称为度。凡是服从这种简单比例关系的液体均称为牛顿液体牛顿液体，这，这 种粘度称为种粘度称为牛顿粘度牛顿粘度。 对于大多数纯液体，或者低分子的稀溶液，在一

6、定温度对于大多数纯液体，或者低分子的稀溶液，在一定温度 下下，是一个定值，它不因是一个定值，它不因单位面积上的切力单位面积上的切力或或切速率切速率的不的不 同而异，所以切力与切速率的比例不变，它只与温度有关，同而异，所以切力与切速率的比例不变，它只与温度有关， 这是牛顿液体的特点。这是牛顿液体的特点。 在上述体系中，处于稳定状态的流动称为层流，在同一在上述体系中，处于稳定状态的流动称为层流，在同一 层上各点的流速相同，不随时间而变。当流速超过某一限度层上各点的流速相同，不随时间而变。当流速超过某一限度 时，层流就变为湍流，这时的流体流动就不再符合式时，层流就变为湍流，这时的流体流动就不再符合式

7、(1)(1)。 因为湍流产生后就有不规则的或随时间而变化的漩涡产生，因为湍流产生后就有不规则的或随时间而变化的漩涡产生， 需要消耗更多的能量。因此式需要消耗更多的能量。因此式(1)(1)只有在层流状态下切速率只有在层流状态下切速率 才有意义。才有意义。 5 粘度的测定 测定体系的粘度是研究流变学的最基本的方法。测定方法有多种，测定体系的粘度是研究流变学的最基本的方法。测定方法有多种， 如落球法、振动法、毛细管流动法和转筒法等。我们往往通过体系的特如落球法、振动法、毛细管流动法和转筒法等。我们往往通过体系的特 点和实验的要求来决定实验方法。这里介绍两种常用的基本方法。点和实验的要求来决定实验方法

8、。这里介绍两种常用的基本方法。 1 1毛细管粘度计毛细管粘度计液体的管式流动液体的管式流动 毛细管粘度计是测定液体粘度的最常用方法之一。其基本原理是在毛细管粘度计是测定液体粘度的最常用方法之一。其基本原理是在 一定压力下，液体流过一定长度和半径的毛细管，测定它的流速，就能一定压力下，液体流过一定长度和半径的毛细管，测定它的流速，就能 计算得液体的粘度。为分析其流动情况，设毛细管半径为计算得液体的粘度。为分析其流动情况，设毛细管半径为R R，长度为，长度为l l， 其两端压力差为其两端压力差为p p，驱使流体流动的力则应为，驱使流体流动的力则应为RR2 2 p p。假如液体可以润湿。假如液体可以

9、润湿 管壁，管壁与液体间没有滑动，即管壁，管壁与液体间没有滑动，即(R)=0(R)=0；在毛细管中心；在毛细管中心流动最快，流动最快， 所以在管中呈同心圆筒层流，见图所以在管中呈同心圆筒层流，见图2 2。 图2 6 上式为上式为PoiseullePoiseulle公式，若已知毛细管的半径公式，若已知毛细管的半径R R和长度和长度l l，根据液体在时，根据液体在时 间间t t内流出体积内流出体积Q Q就可以计算出液体的粘度。式就可以计算出液体的粘度。式( (3 3) )的使用条件是：的使用条件是： (1)(1)液体必须是粘性层流，而没有湍流，所以要控制流速，使雷诺数液体必须是粘性层流，而没有湍流

10、，所以要控制流速，使雷诺数 小于小于10001000。 (2)(2)液体在管壁上没有滑动，润湿性差的液体可能有滑动，所以不能液体在管壁上没有滑动，润湿性差的液体可能有滑动，所以不能 测定润湿性差的液体，应用范围受到一定限制。测定润湿性差的液体，应用范围受到一定限制。 ( (3 3) ) 若在时间若在时间t t内流出的液体体积为内流出的液体体积为Q Q，则，则 (2)(2) 在毛细管中各层流体的流速为在毛细管中各层流体的流速为 如果是以均速流动，任何一液层的粘性阻力如果是以均速流动，任何一液层的粘性阻力( (即内摩擦力即内摩擦力) )应为应为2r 2r ldlddrdr，则管中流动应服从下式：，

11、则管中流动应服从下式： 7 (3)(3)在毛细管出在毛细管出入入口处两端的管径大小、液体的流速分布与管子中部口处两端的管径大小、液体的流速分布与管子中部 并不相同，这就要影响液体的流速，需要进行相应的改正，这种改正叫并不相同，这就要影响液体的流速，需要进行相应的改正，这种改正叫 末端校正末端校正。一般用。一般用l(1+nRl(1+nRl)l)来代替式来代替式( (3 3) )中的中的l l。n n为仪器常数，由实为仪器常数，由实 验决定，如果验决定，如果R Rl l1 1时，末端校正可以忽略不计，所以实验室里的毛细时，末端校正可以忽略不计，所以实验室里的毛细 管粘度计是又细又长。管粘度计是又细

12、又长。 使流体流动的压力差应当全部用于克服液体层间摩擦。实际上液体在流使流体流动的压力差应当全部用于克服液体层间摩擦。实际上液体在流 动时还需要得到动能，这部分动能的消耗也需要改正，通常叫动时还需要得到动能，这部分动能的消耗也需要改正，通常叫动能校正动能校正 动能校正动能校正是毛细管粘度计的主要修正项，尤其是在流速较大的情况是毛细管粘度计的主要修正项，尤其是在流速较大的情况 下，必须予以考虑。每秒钟流出液体所得动能为下，必须予以考虑。每秒钟流出液体所得动能为 式中，式中，为液体密度，将式为液体密度，将式( (2 2) )中的中的代入得：代入得： 令令m m是液体在管中等效平均流速，则是液体在管

13、中等效平均流速，则 8 令令p p为消耗在液体动能的压力差，则为消耗在液体动能的压力差，则 2 m Ep R 2 m p 或或 式中，式中，m m是动能系数，随毛细管两端处液体流动情况而异，但可由实验确是动能系数，随毛细管两端处液体流动情况而异，但可由实验确 定，定，m m的数值约为的数值约为1.21.2。 在实验室中最常见的毛细管粘度计有在实验室中最常见的毛细管粘度计有OstwaldOstwald 型和型和UbbelohdeUbbelohde型两种，其构造如右图型两种，其构造如右图 (a) (a)和和(b)(b)所所 示。要用毛细管粘度计来直接测定液体粘度的绝对示。要用毛细管粘度计来直接测定

14、液体粘度的绝对 值是有困难的，通常都是用已知其粘度的液体求出值是有困难的，通常都是用已知其粘度的液体求出 粘度计的仪器常数后，再用它来测定未知液体的粘粘度计的仪器常数后，再用它来测定未知液体的粘 度。其测定方法是：如右图，液体自度。其测定方法是：如右图，液体自A A管加管加入入，从，从B B 管将液体吸到口线以上，然后任其流下，并记录液管将液体吸到口线以上，然后任其流下，并记录液 面流经面流经a a到到b b线的时间，这时驱使液体流动的压力是线的时间，这时驱使液体流动的压力是 液柱的压力，但液柱高度是在液柱的压力，但液柱高度是在h ha a和和h hb b 之间逐渐改变之间逐渐改变 的，因此应

15、取一个等效平均液柱高度的，因此应取一个等效平均液柱高度h hm m ，则式，则式( (3 3) ) 变为变为 ( (4 4) ) 9 式中，式中，Q Q为经为经a a到到b b刻度间流过的体积，它与刻度间流过的体积，它与h hm m、R R、l l 等都由仪器所确定，等都由仪器所确定， 与式中有关常数合并为仪器常数与式中有关常数合并为仪器常数k k则上式变为则上式变为 为了确定仪器常数为了确定仪器常数k k，可用已知粘度和密度的标准液体，测定流过，可用已知粘度和密度的标准液体，测定流过a a、 b b线的时间线的时间t t，就可求得，就可求得k k值。值。 如需要进行动能校正，由式如需要进行动

16、能校正，由式( (4 4) )和式和式( (5 5) )得得 ( (5 5) ) 式中，式中，A A和和B B也是仪器常数，其数值可以用下述三个方法之一确定。也是仪器常数，其数值可以用下述三个方法之一确定。 (1)(1)用一种其粘度已精密测定了的标准液体，在两个或两个以上不用一种其粘度已精密测定了的标准液体，在两个或两个以上不 同温度下测定其流出时间。同温度下测定其流出时间。 (2)(2)用两种或两种以上的具有不同粘度的标准液体，在同一温度下用两种或两种以上的具有不同粘度的标准液体，在同一温度下 测定其流出时间。测定其流出时间。 (3)(3)用同一种标准液体，在一个温度下，在用同一种标准液体，

17、在一个温度下，在B B管处施加不同外压力时管处施加不同外压力时 测定其流出时间。测定其流出时间。 10 转筒式粘度计适用范围很广，特别适用于粗分散体系。它的构造示意转筒式粘度计适用范围很广，特别适用于粗分散体系。它的构造示意 如下图所示，由两个同心筒构成，故全称应为同心筒转筒式粘度计。如下图所示，由两个同心筒构成，故全称应为同心筒转筒式粘度计。 2 2转筒式粘度计转筒式粘度计环形流动环形流动 在两筒之间装入液体，外筒与内筒的半径分别为在两筒之间装入液体，外筒与内筒的半径分别为R Rb b和和R Ra a，液体浸没，液体浸没 内筒的高度是内筒的高度是L L，让外筒恒速旋转，其角速度为，让外筒恒速

18、旋转，其角速度为，因液体有粘度，内筒，因液体有粘度，内筒 也向相同方向旋转，但有扭丝可将其扭回。当两力相等时内筒就不再转也向相同方向旋转，但有扭丝可将其扭回。当两力相等时内筒就不再转 动，所以达到平衡时，扭丝的偏转角度动，所以达到平衡时，扭丝的偏转角度将取决于液体的粘度，设在半将取决于液体的粘度，设在半 径为径为r r处的单位面积上的切力为处的单位面积上的切力为(r)(r)，则，则 11 上式是转筒式粘度计的基本公式，称为上式是转筒式粘度计的基本公式，称为MargulusMargulus公式，与毛细管粘度计公式，与毛细管粘度计 的的PoiseuillePoiseuille公式相似，公式相似，只

19、适用于牛顿型液体。只适用于牛顿型液体。 式中，式中，T T为实验测得的转矩。在液层中半径为为实验测得的转矩。在液层中半径为r r处的角速度为处的角速度为，所以切，所以切 速率为速率为D(D(即速率梯度即速率梯度) )，于是，于是 这里，液体完全润湿筒壁，无滑动现象，则有以下边界条件：这里，液体完全润湿筒壁，无滑动现象，则有以下边界条件： 当当r=Rr=Rb b时，则时，则( (6 6) ) 式中，式中，为切线速率，若所测液体为牛顿液体，在层流条件下：为切线速率，若所测液体为牛顿液体，在层流条件下： 12 式中，式中，L L* *代表末端效应的校正项，与两筒底面积及间隙距离有关。通过代表末端效应

20、的校正项，与两筒底面积及间隙距离有关。通过 改进仪器的构造可以消除或减少末端效应。例如，可以使内筒侧面积远改进仪器的构造可以消除或减少末端效应。例如，可以使内筒侧面积远 大于底部面积等等。大于底部面积等等。 通常用已知粘度的标准液体求出仪器常数通常用已知粘度的标准液体求出仪器常数K K，然后再用此粘度计来测，然后再用此粘度计来测 定未知粘度的液体。定未知粘度的液体。 以上讨论的公式也应满足这些条件：以上讨论的公式也应满足这些条件：(1)(1)圆筒流体为层流；圆筒流体为层流；(2)(2)流体流体 为牛顿型；为牛顿型；(3)(3)在圆筒表面无滑动；在圆筒表面无滑动；(4)(4)两个圆筒是无限长的两

21、个圆筒是无限长的。 将上式整理后得将上式整理后得 式中，式中，K K是仪器常数，是仪器常数，T T可用扭丝偏转角度可用扭丝偏转角度来代替，若用来代替，若用与与的关系来的关系来 表示，则表示，则 这里假设液体只对内筒的侧面施以力矩，事实上是不可能的，两筒这里假设液体只对内筒的侧面施以力矩，事实上是不可能的，两筒 都有底面积，所以内筒所受的力应包括底部面上所起的作用力。因此必都有底面积，所以内筒所受的力应包括底部面上所起的作用力。因此必 须考虑须考虑末端效应末端效应。在用已知粘度的标准液体校正时，末端效应已被包括。在用已知粘度的标准液体校正时，末端效应已被包括 在仪器常数内，则在仪器常数内，则 (

22、 (7 7) ) 13 以上只介绍了转筒式粘度计的基本原理，在实际应用时，仪器的样式以上只介绍了转筒式粘度计的基本原理，在实际应用时，仪器的样式 是多种多样的。例如，可以使内筒转动，并测定它的力矩，也可以外加力是多种多样的。例如，可以使内筒转动，并测定它的力矩，也可以外加力 矩使其转动，然后测定内筒的转速等。转筒式粘度计虽然构造复杂，但其矩使其转动，然后测定内筒的转速等。转筒式粘度计虽然构造复杂，但其 优点是可以测定不同速率梯度下的粘度，故适用于非牛顿型的流体。优点是可以测定不同速率梯度下的粘度，故适用于非牛顿型的流体。 与转筒式粘度计相似的还有锥板型粘度计，仪器的构造示意图如与转筒式粘度计相

23、似的还有锥板型粘度计，仪器的构造示意图如 下图下图 它是由一平板和一圆锥体组成，锥顶它是由一平板和一圆锥体组成，锥顶 角接近于角接近于180180。实验时平板固定，。实验时平板固定， 让圆锥体转动，其顶点刚好与平板表让圆锥体转动，其顶点刚好与平板表 面接触。在间隙中装满待测液面接触。在间隙中装满待测液 体。由于角度体。由于角度极小，约为极小，约为2 2 0.5 0.5 ，间隙的平均距离也极小，间隙的平均距离也极小 ，所以在，所以在 不同半径不同半径r r处的切速率具有相同数值处的切速率具有相同数值 而且末端效应也可以忽略不计，对非牛顿体系而言这种仪器十分理想。而且末端效应也可以忽略不计，对非牛

24、顿体系而言这种仪器十分理想。 通过锥体的速率变化可以直接求得流变曲线。在半径通过锥体的速率变化可以直接求得流变曲线。在半径r r处的切线速率处的切线速率 (r)=r(r)=r。而这一点上的间隙宽度为。而这一点上的间隙宽度为r tanr tan。故在。故在r r处的切速率为处的切速率为 锥板型粘度计结构示意图 14 这样实际上切速率与这样实际上切速率与r r无关，又因为无关，又因为很小，很小，tantan，则，则 切速率是切力的函数，切速率是切力的函数，D(r)=f(r)D(r)=f(r)，所以在不同半径处的切力也相等，则，所以在不同半径处的切力也相等，则 转矩转矩T T为为 或或 以以 对对

25、3T3T(2R(2R3 3) ) 作图就能直接画出流变曲线。作图就能直接画出流变曲线。 式中，式中，R R为旋转锥的半径。在某切速率下的粘度应为为旋转锥的半径。在某切速率下的粘度应为 3 3 2 T R 15 流 型 以上讨论的都是纯液体、低分子的稀溶液，或者分散体系的分散相以上讨论的都是纯液体、低分子的稀溶液，或者分散体系的分散相 含量很少的情况下的粘度。这些体系都属于牛顿型流体，牛顿体系的一含量很少的情况下的粘度。这些体系都属于牛顿型流体，牛顿体系的一 个重要特点是体系的粘度与外加切力无关。但实际使用的大多数是浓的个重要特点是体系的粘度与外加切力无关。但实际使用的大多数是浓的 体系，比简单

26、的牛顿体系复杂得多。体系，比简单的牛顿体系复杂得多。 在流变学中常以切速率在流变学中常以切速率D D为纵坐标，切力为纵坐标，切力为横坐标作图，在图中得为横坐标作图，在图中得 到的曲线称为到的曲线称为流变曲线流变曲线。不同体系有不同的流变曲线，从曲线形状又可。不同体系有不同的流变曲线，从曲线形状又可 分为若干流型。牛顿型流体的粘度不随外界切力而变，是个常数，切力分为若干流型。牛顿型流体的粘度不随外界切力而变，是个常数，切力 与切速率成正比，流变曲线是直线，并且通过原点，即在任意小的外力与切速率成正比，流变曲线是直线，并且通过原点，即在任意小的外力 作用下液体就能流动，用粘度这一数值就能表征牛顿体

27、系的特性。作用下液体就能流动，用粘度这一数值就能表征牛顿体系的特性。 有些体系的粘度随切速率的有些体系的粘度随切速率的 增加而减少，这种现象称之为增加而减少，这种现象称之为切切 稀稀(shear thining)(shear thining)作用作用。还有些。还有些 体系是粘度随外切力体系是粘度随外切力( (或切速率或切速率) ) 的增加而增加，这种现象称之为的增加而增加，这种现象称之为 切稠切稠(shear thickening)(shear thickening)作用。作用。 流变曲线共有四种流型，如右图流变曲线共有四种流型，如右图 所示。所示。 a-牛顿型 b-塑性型 C-假塑性型 d-

28、胀性型 16 曲线上任何一点的粘度是这一点上切力与切速率之比，也就曲线上任何一点的粘度是这一点上切力与切速率之比，也就 是曲线上任意点的余切。我们称这种粘度为是曲线上任意点的余切。我们称这种粘度为视粘度视粘度。 塑性体系和假塑性体系具有切稀作用，其原因是这种体塑性体系和假塑性体系具有切稀作用，其原因是这种体 系中分散相粒子以聚集态存在，当切速率增加后，使聚集体系中分散相粒子以聚集态存在，当切速率增加后，使聚集体 破裂，其结果是自由移动的粒子增加，固定溶剂量减少，因破裂，其结果是自由移动的粒子增加，固定溶剂量减少，因 此体系的视粘度降低。属于假塑性体系的有高分子溶液、淀此体系的视粘度降低。属于假

29、塑性体系的有高分子溶液、淀 粉溶液、乳状液等。塑性体系的切力必须超过某一数值以后粉溶液、乳状液等。塑性体系的切力必须超过某一数值以后 才会发生切稀作用，属于塑性体系的有油漆、牙膏、泥浆等。才会发生切稀作用，属于塑性体系的有油漆、牙膏、泥浆等。 能使体系开始流动的那一点切力称为能使体系开始流动的那一点切力称为“屈服值屈服值”(yield (yield value)value)。 胀性体系具有切稠作用，这种体系并不罕见，例如揉面胀性体系具有切稠作用，这种体系并不罕见，例如揉面 就有这样的经验，刚揉时面团很软，但越揉越硬，若将已经就有这样的经验，刚揉时面团很软，但越揉越硬，若将已经 揉硬了的面团静置

30、一段时间，再揉就没有以前结实了，但是揉硬了的面团静置一段时间，再揉就没有以前结实了，但是 再揉几下又硬了。这个过程可以任意重复，许多色料在水中再揉几下又硬了。这个过程可以任意重复，许多色料在水中 或有机溶剂中都有这种现象。或有机溶剂中都有这种现象。 17 8.2 塑性体系、假塑性体系、胀性体系、触变性塑性体系、假塑性体系、胀性体系、触变性 体系体系 8.2.1 8.2.1 塑性体系塑性体系 若一个物体所受的切力超过某一个限度，其形若一个物体所受的切力超过某一个限度，其形 状的改变是永久的，则该物体便是可塑的，像制陶状的改变是永久的，则该物体便是可塑的，像制陶 粘土及金属等均有此种性质。通常认为

31、分散体系的粘土及金属等均有此种性质。通常认为分散体系的 可塑性质，是由不对称性粒子的网状形结构引起的，可塑性质，是由不对称性粒子的网状形结构引起的， 要使体系流动，必须破坏网状形结构。所以切力要要使体系流动，必须破坏网状形结构。所以切力要 超过屈服值以后，体系才开始流动，随着切力的增超过屈服值以后，体系才开始流动，随着切力的增 加，结构不断破坏，表现出来的视粘度也随着下降。加，结构不断破坏，表现出来的视粘度也随着下降。 所以通常认为只有悬浮体粒子浓度达到彼此可以相所以通常认为只有悬浮体粒子浓度达到彼此可以相 互接触时，才会有塑性现象。互接触时，才会有塑性现象。 18 屈服值有三个：屈服值有三个

32、： f f L L静切力：体系开始流动的切静切力：体系开始流动的切 力力 f f B B动切力（动切力（BinghamBingham值）：直线值）：直线 部分延长到部分延长到 轴上轴上 f f M M体系开始层流时的切力体系开始层流时的切力 三个数值具有相应的物理意义，在实际生产实三个数值具有相应的物理意义，在实际生产实 践中各起着一定指导作用。践中各起着一定指导作用。 f fL L不易测准，不易测准，它和仪器的精密度及实验时间它和仪器的精密度及实验时间 长短都有关系长短都有关系。 f fB B主要用于塑性流动公式主要用于塑性流动公式 f fM M的物理意义比较明确，的物理意义比较明确，可以看

33、作粒子间的可以看作粒子间的 结构完全拆散，完全以单个粒子结构完全拆散，完全以单个粒子( (或结构单元或结构单元) ) 出现在流动体系中。出现在流动体系中。 19 塑性流动公式塑性流动公式 由流动形态来讨论这三种切力比较容易理解。由流变曲线来由流动形态来讨论这三种切力比较容易理解。由流变曲线来 看，切力超过看，切力超过f fL L时体系并非全部发生变形，而是在容器边缘时体系并非全部发生变形，而是在容器边缘 地区发生变形，产生滑动。中间未发生变化的部分，仍按原地区发生变形，产生滑动。中间未发生变化的部分，仍按原 来结构形式一起向前移动，这叫作塞流来结构形式一起向前移动，这叫作塞流(plug f1o

34、w)(plug f1ow)。随着。随着 切力的增加，塞流部分逐渐减少。到切力的增加，塞流部分逐渐减少。到f fM M以后流动形式与牛顿以后流动形式与牛顿 型流体的流动一样，因此从牛顿公式可得塑性体的粘度公式：型流体的流动一样，因此从牛顿公式可得塑性体的粘度公式： Df 塑 B 塑塑塑性粘度，其值为图中直线部分斜率的倒数塑性粘度，其值为图中直线部分斜率的倒数 f fB B、 塑塑与粒子浓度、粒子大小、形状等因素有关。与粒子浓度、粒子大小、形状等因素有关。 事实上，塑性流动是与分散相中粒子的相互接触有关，在一定的切力事实上，塑性流动是与分散相中粒子的相互接触有关，在一定的切力 作用下，粒子间的拆散

35、与重新结合两者速率处于某种平衡状态，此时作用下，粒子间的拆散与重新结合两者速率处于某种平衡状态，此时 呈稳定的流动。当切力增加以后，又达到另一平衡点。当切力超过某呈稳定的流动。当切力增加以后，又达到另一平衡点。当切力超过某 一数值以后，其拆散速率大于结合速率，一数值以后，其拆散速率大于结合速率，D D与与即呈直线关系。当切即呈直线关系。当切 力移去以后，粒子间又重新结合，又恢复到原来的状态。力移去以后，粒子间又重新结合，又恢复到原来的状态。 20 固体粒子浓度很大的体系叫浆状体固体粒子浓度很大的体系叫浆状体(paste)(paste)，如牙膏、制，如牙膏、制 陶泥坯等，浆状体中固体粒子对流动性

36、的影响十分复杂。陶泥坯等，浆状体中固体粒子对流动性的影响十分复杂。 主要因素有：主要因素有： (1)(1)固一液两相间的体积比；固一液两相间的体积比； (2)(2)固体粒子的大小；固体粒子的大小； (3)(3)粒子的形状；粒子的形状； (4)(4)固体粒子的聚结程度等。固体粒子的聚结程度等。 所以用不同的测定方法能得到不同形状的流变曲线。因所以用不同的测定方法能得到不同形状的流变曲线。因 为影响因素太复杂，目前还很难从理论上来说明，但一般有为影响因素太复杂，目前还很难从理论上来说明，但一般有 如下经验规律：如下经验规律：塑 塑以指数规律随固体粒子浓度的增加而升 以指数规律随固体粒子浓度的增加而

37、升 高，浓度是以体积百分比计。固体的体积分数不变，粒子越高，浓度是以体积百分比计。固体的体积分数不变，粒子越 小，则小，则塑 塑就愈大。但是塑性粘度大的并非体系的粒子就很 就愈大。但是塑性粘度大的并非体系的粒子就很 小。小。 21 8.8.2 2.2 .2 假塑性体系假塑性体系 这类体系如羧甲基纤维素、淀粉、橡胶等高分子溶液。这类体系如羧甲基纤维素、淀粉、橡胶等高分子溶液。 这种流型的特点是：这种流型的特点是：(1)(1) 体系没有屈服值，流变曲线从体系没有屈服值，流变曲线从 原点开始；原点开始；(2)(2)视粘度视粘度( (切力与切力与 切速率之比切速率之比) )随切速率之增加随切速率之增加

38、 而减少，所以粘度不是一个固而减少，所以粘度不是一个固 定不变的常数。定不变的常数。 若以粘度的对数值与切速若以粘度的对数值与切速 率的对数值作图，可以得一直率的对数值作图，可以得一直 线，其斜率在线，其斜率在0 01 1之间。对于之间。对于 假塑性体系，此关系还较普遍，假塑性体系，此关系还较普遍， 因此可以用指数定律来描述假因此可以用指数定律来描述假 塑性体系的流变性能：塑性体系的流变性能： 式中，指数式中，指数n n是常数，是常数，K K和和n n数值视不同液体而异。数值视不同液体而异。 a-牛顿型 b-塑性型 C-假塑性型 d-胀性型 22 K K是液体稠度的量度，是液体稠度的量度，K

39、K值愈大则液体愈粘，对假塑性体系值愈大则液体愈粘，对假塑性体系n1n1。当。当n=1n=1时时 为牛顿体系。通常用为牛顿体系。通常用n n与与1 1的偏离程度作为非牛顿的量度，与的偏离程度作为非牛顿的量度，与1 1相差愈大则相差愈大则 非牛顿行为愈显著。其实非牛顿行为愈显著。其实n n并不是个严格的常数，只有在很小切变速率范并不是个严格的常数，只有在很小切变速率范 围内，围内，n n才接近于常数值。才接近于常数值。 视粘度用视粘度用a a来表示，在假塑性体系中来表示，在假塑性体系中,a a与切速率的关系为与切速率的关系为 由上式可见，因为由上式可见，因为n1n1，所以视粘度随切力的增加而减少。

40、这种现象可，所以视粘度随切力的增加而减少。这种现象可 解释为：如甲基纤维素这一类的大分子都是不对称性的粒子，液体在解释为：如甲基纤维素这一类的大分子都是不对称性的粒子，液体在 静止时粒子可以有各种取向，当切速率增加时，粒子将其长轴转向流静止时粒子可以有各种取向，当切速率增加时，粒子将其长轴转向流 动方向。切速率越大则这种定向也越彻底，流动阻力也随之而降低，动方向。切速率越大则这种定向也越彻底，流动阻力也随之而降低， 最终就完全定向排列，粘度就不会再变化了，最终就完全定向排列，粘度就不会再变化了，D D与与之间又成直线关系。之间又成直线关系。 此外，粒子的溶剂化也有影响。在切速率作用下，粒子的溶

41、剂化层会此外，粒子的溶剂化也有影响。在切速率作用下，粒子的溶剂化层会 产生变形，起了减少阻力的效果。产生变形，起了减少阻力的效果。 23 8.8.2 2.3.3 胀性体系胀性体系 胀性体系与假塑性体系相反，视粘度随切力的增加而升高胀性体系与假塑性体系相反，视粘度随切力的增加而升高。 胀性体系胀性体系(dilatancy system)(dilatancy system)一词最一词最 早由早由ReynoldReynold提出，他发现有些固体粉末的提出，他发现有些固体粉末的 高浓度浆状体在搅动时，其体积和刚性都高浓度浆状体在搅动时，其体积和刚性都 有增加，故称之为胀性体系。产生胀性的有增加，故称之

42、为胀性体系。产生胀性的 原因是体系中粒子间排列很紧密，静止时原因是体系中粒子间排列很紧密，静止时 粒子间液体占有的空隙体积最小，搅动时粒子间液体占有的空隙体积最小，搅动时 粒子发生重排，使空隙的体积增加，所以粒子发生重排，使空隙的体积增加，所以 体系的总体积有所膨胀。由于空隙增大，体系的总体积有所膨胀。由于空隙增大， 粒子接触处的液层量减少，液层间原有润粒子接触处的液层量减少，液层间原有润 滑作用相应减少，于是增加了流动阻力。滑作用相应减少，于是增加了流动阻力。 a-牛顿型 b-塑性型 C-假塑性型 d-胀性型 DK n n1 24 广义的胀性体系是：凡是视粘度随切速率的增加而变大的体系，不广

43、义的胀性体系是：凡是视粘度随切速率的增加而变大的体系，不 论在切力作用下其体积有无胀大均称之为胀性体系。论在切力作用下其体积有无胀大均称之为胀性体系。 FreundlichFreundlich等研究了淀粉、等研究了淀粉、SiOSiO2 2粉末的浆状体，认为要具有胀性特粉末的浆状体，认为要具有胀性特 点的体系必须满足以下两个条件：点的体系必须满足以下两个条件：(1)(1)分散相的浓度必须相当大，并限于分散相的浓度必须相当大，并限于 一个狭小范围内，约为一个狭小范围内，约为42424545。(2)(2)粒子必须是分散的，不是聚结的。粒子必须是分散的，不是聚结的。 当切力不太大时，粒子是全散开的，当

44、切力增大后，有许多粒子被搅在当切力不太大时，粒子是全散开的，当切力增大后，有许多粒子被搅在 一起，虽然此种结合并不稳定，但是增加流动阻力是完全可能的，搅动一起，虽然此种结合并不稳定，但是增加流动阻力是完全可能的，搅动 愈烈，这种暂时结合自然也愈多，阻力也愈大。如果分散相浓度太小，愈烈，这种暂时结合自然也愈多，阻力也愈大。如果分散相浓度太小， 这种暂时性结构当然不易形成，也就没有胀性体的性质。浓度太大，粒这种暂时性结构当然不易形成，也就没有胀性体的性质。浓度太大，粒 子本来已经接触，搅动时内部变化不多，所以胀性现象也不显著。子本来已经接触，搅动时内部变化不多，所以胀性现象也不显著。 静止静止 搅

45、动搅动 静止静止 搅动搅动 25 胀性体系要求分散的粒子有很好的润湿性，不能形胀性体系要求分散的粒子有很好的润湿性，不能形 成絮凝物，所以要形成胀性体系可以在体系内加入成絮凝物，所以要形成胀性体系可以在体系内加入 一些分散剂、润湿剂或抗絮凝剂。在搅动时结构形一些分散剂、润湿剂或抗絮凝剂。在搅动时结构形 式是很勉强存在的，所以停止搅动后粒子又呈分散式是很勉强存在的，所以停止搅动后粒子又呈分散 状态了，粘度又降低了。状态了，粘度又降低了。 根据经验，影响体系胀性的因素有：根据经验，影响体系胀性的因素有： (1)(1)体系的老化程度；体系的老化程度； (2)(2)分散剂的性质和用量；分散剂的性质和用

46、量； (3)(3)粒子形状和大小。粒子形状和大小。 26 新配制的淀粉悬浮体，时间放得愈久新配制的淀粉悬浮体，时间放得愈久 胀性愈显著，这是淀粉粒子逐渐膨胀，胀性愈显著，这是淀粉粒子逐渐膨胀， 使分散相体积增大的缘故。一些无机使分散相体积增大的缘故。一些无机 固体粉末，如二氧化钛、硫酸钡、碳固体粉末，如二氧化钛、硫酸钡、碳 黑、氧化锌等的有机溶剂的悬浮体，黑、氧化锌等的有机溶剂的悬浮体， 它们的性质正好相反，胀性随时间老它们的性质正好相反，胀性随时间老 化而减少。这可能是有机液体与上述化而减少。这可能是有机液体与上述 无机粒子相混时带无机粒子相混时带入入了一些表面上吸了一些表面上吸 附的空气，

47、聚集的粒子体积要比原有附的空气，聚集的粒子体积要比原有 体积大，放置一段时间后固体有效体体积大，放置一段时间后固体有效体 积变小，因此胀性减弱。积变小，因此胀性减弱。 粒子形状的影响可用淀粉和氧化铁为例，淀粉的粒子是圆形的，欲得粒子形状的影响可用淀粉和氧化铁为例，淀粉的粒子是圆形的，欲得 胀性流型需要胀性流型需要4040以上的浓度，氧化铁粒子是长方形的，流动时粒子能转以上的浓度，氧化铁粒子是长方形的，流动时粒子能转 动，其有效体积大于实有体积，因此只要动，其有效体积大于实有体积，因此只要11111212的浓度就有胀性流型的浓度就有胀性流型 出现。出现。 27 8.8.2 2.4.4 触变性体系

48、触变性体系 以上所述的各种体系都有一个共同点，就是它们的各种流变性质与以上所述的各种体系都有一个共同点，就是它们的各种流变性质与 时间无关，均可用时间无关，均可用D=f()D=f()来描述，在此关系式内无时间因子。但是有些来描述，在此关系式内无时间因子。但是有些 体系却不然，切力作用时间的长短对体系流变性质有影响，流变性质与体系却不然，切力作用时间的长短对体系流变性质有影响，流变性质与 时间有依赖关系的体系又可分为两大类。时间有依赖关系的体系又可分为两大类。 (1)(1)触变性触变性(thixotropy)(thixotropy)体系体系 在一定切速率下，切力随时间而减少在一定切速率下，切力随

49、时间而减少 。 (2)(2)震凝性震凝性(Rheopexy)(Rheopexy)体系体系 在一定切速率下，切力随时间而增大。在一定切速率下，切力随时间而增大。 震凝性体系不多见，而触变性体系较常见，如粘土泥浆、油漆等。震凝性体系不多见，而触变性体系较常见，如粘土泥浆、油漆等。 震凝性体系当外切力去除后体系仍保持凝固状态，至少有一段时间是凝震凝性体系当外切力去除后体系仍保持凝固状态，至少有一段时间是凝 固状态，然后再稀化。从微观结构来看：胀性体系的悬浮体是高固状态，然后再稀化。从微观结构来看：胀性体系的悬浮体是高“浓度浓度 ”的，固体含量常高达的，固体含量常高达4040以上，润湿性能良好。震凝性

50、体系固体含量以上，润湿性能良好。震凝性体系固体含量 很低，仅很低，仅1 12 2左右，而且粒子不是对称性的，因此形成凝胶完全是左右，而且粒子不是对称性的，因此形成凝胶完全是 粒子定向排列的结果。粒子定向排列的结果。 28 所谓触变性是指一些体系在搅动或其他机械作用下，能使凝所谓触变性是指一些体系在搅动或其他机械作用下，能使凝 胶状的体系变成流动性较大的溶胶，将体系静置一段时间后，又胶状的体系变成流动性较大的溶胶，将体系静置一段时间后，又 恢复原来的凝胶状态。恢复原来的凝胶状态。 触变性的产生与体系内部结构有关触变性的产生与体系内部结构有关 触变结构的主要特点是：触变结构的主要特点是： (1)(

51、1)从有结构到无结构、或者从结构的拆散作用到结构的恢从有结构到无结构、或者从结构的拆散作用到结构的恢 复作用是一个等温可逆转换过程。复作用是一个等温可逆转换过程。 (2)(2)体系结构的这种反复转换与时间有关体系结构的这种反复转换与时间有关，即结构的破坏和，即结构的破坏和 形成是时间的函数，同时结构的机械强度变化也与时间有关。形成是时间的函数，同时结构的机械强度变化也与时间有关。 所以触变性可以看成体系在恒温下所以触变性可以看成体系在恒温下“凝胶一溶胶凝胶一溶胶”之间相互之间相互 转换过程的表现。更确切地说，物体在切力作用下产生形变，若转换过程的表现。更确切地说，物体在切力作用下产生形变，若

52、比值比值r rD D会暂时性降低，则该物体即有触变性。会暂时性降低，则该物体即有触变性。 29 触变性流体测量的触变性流体测量的方法是在转筒式粘度计中从最低转速开始，方法是在转筒式粘度计中从最低转速开始， 在一定时间内，均衡地逐渐升高转速，直至预先选定的某一最高在一定时间内，均衡地逐渐升高转速，直至预先选定的某一最高 值，在升高过程中记录相应的切力数据，就得到如图中的曲线值，在升高过程中记录相应的切力数据，就得到如图中的曲线ABCABC。 到达到达C C点后，逐渐降低转速，再记录下降低切速率过程中切力的读点后，逐渐降低转速，再记录下降低切速率过程中切力的读 数，得直线数，得直线CACA，上行线

53、和下行线并不重合，成为一个月牙形的圈，上行线和下行线并不重合，成为一个月牙形的圈， 叫叫“滞后圈滞后圈”，用此圈的面积可以衡量，用此圈的面积可以衡量“触变拆散触变拆散”(thixotropy ”(thixotropy breakdown)breakdown)的程度，即触变性大小的的程度，即触变性大小的度度量。量。 30 滞后圈是由两种因素造成的：时间和切速率。具有触变性的体系。若滞后圈是由两种因素造成的：时间和切速率。具有触变性的体系。若 在恒切速率作用下，体系的结构就开始拆散。在开始时拆散得快，以后不在恒切速率作用下，体系的结构就开始拆散。在开始时拆散得快，以后不 断减慢，最后拆散速率与结构

54、恢复平衡。宏观的现象是恒切速率下，切力断减慢，最后拆散速率与结构恢复平衡。宏观的现象是恒切速率下，切力 不断降低，最后达到切力不变。这就是时间变化的触变拆散因素。如果提不断降低，最后达到切力不变。这就是时间变化的触变拆散因素。如果提 高转速，即增大切速率，平衡又向拆散方向移动，这是随切速率的触变拆高转速，即增大切速率，平衡又向拆散方向移动，这是随切速率的触变拆 散。如果没有这两种因素，上行线与下行线是相互重叠的直线，不存在滞散。如果没有这两种因素，上行线与下行线是相互重叠的直线，不存在滞 后圈现象。因此滞后圈的大小与人为因素及仪器构造有关。从后圈现象。因此滞后圈的大小与人为因素及仪器构造有关。

55、从A A上升到上升到C C的的 时间愈快、切速率升得愈高，那么环的面积也愈大。因此用滞后圈的面积时间愈快、切速率升得愈高，那么环的面积也愈大。因此用滞后圈的面积 来衡量触变性大小是有些任意性的。来衡量触变性大小是有些任意性的。 为了定量地表示这两种因素，时间触变系数为了定量地表示这两种因素，时间触变系数B B和拆散触变系数和拆散触变系数M M，这两，这两 个系数都可以从力学角度用数学方法推导得到。个系数都可以从力学角度用数学方法推导得到。 (1)(1)时间触变系数时间触变系数B B的物理意义的物理意义 在某切速率下，塑性粘度对时间变化率乘在某切速率下，塑性粘度对时间变化率乘 以所经历的时间，表

56、示如下：以所经历的时间，表示如下： 也可以写成：也可以写成： 31 体系内的结构将随时间延长而逐渐破体系内的结构将随时间延长而逐渐破 坏，切力将沿坏，切力将沿CECE线而逐渐减小，最终达到线而逐渐减小，最终达到 E E，这点称为触变平衡点。在，这点称为触变平衡点。在CECE时间范围时间范围 内，从内，从C C点经时间点经时间t t1 1后，然后下降切速率。后，然后下降切速率。 下行线是一条直线，因为已拆散的粒子还下行线是一条直线，因为已拆散的粒子还 来不及重新结合，切力只用来推动流体，来不及重新结合，切力只用来推动流体， 所以下行线上的所以下行线上的D D与与成正比，从下行线成正比，从下行线 的斜率能求得塑性粘度的斜率能求得塑性粘度塑 塑(1)(1)。按相同步 。按相同步 骤，切速率立即升到骤，切速率立即升到C C后，经过时间后，经过时间t t2 2， 从下行线得塑性粘度从下行线得塑性粘度塑 塑(2)(2) 。从两次所 。从两次所 测得的数据，代入测得的数据，代入公公式，即得触变系数式，即得触变系数B B。 B B值可以这样测定，将切