第五讲胶体的流变性

1、第五讲第五讲胶体的流变性胶体的流变性流变性质（rheologic properties）： 物质在外力作用下的变形（deformation）和流动(flow)的性质。研究胶体流变性质的作用： （1）估计胶体质点的大小、形状以及质点与介质间的相互作用。 （2）解决生产中的重要问题（油漆、牙膏、陶土成形、照相乳剂的涂布、钻井用泥浆等）。胶体的流变性胶体的流变性胶体的流变性胶体的流变性胶体的流变性胶体的流变性 基本概念和术语 1 稀胶体溶液的黏度 2 浓分散体系的流变性质 3 胶粒的平均大小与多分散度 4目目 录录1. 切变速度与切应力 将流动着的液体看作许多相互平行移动的液层，各层速度不同，形成速

2、度梯度(dv/dx)，这是流动的基本特征。一、基本概念和术语一、基本概念和术语xv一、基本概念和术语一、基本概念和术语 由于速度梯度的存在，流动较慢的液层阻滞较快液层的流动，因此，液体产生运动阻力。 为使液层维持一定的速度梯度运动，必须对液层施加一个与阻力相反的反向力。 在单位液层面积上施加的这种力，称为切应力 (shear force)，简称切力。用表示，单位为N/m2 。 切变速度：即速度梯度，简称切速，用D表示，单位s-1。 切应力与切变速率是表征体系流变性质的两个基本参数。dxdvD一、基本概念和术语一、基本概念和术语2. 牛顿公式和黏度n 流动时液体内部形成速度梯度，故产生运动阻力，

3、切应力反映此阻力大小。Ddxdv牛顿公式 液体粘度n 黏度定义：将两块面积为1m2的板浸于液体中，两板距离为1m，若加1N的切应力，使两板之间的相对速率为1m/s，则此液体的黏度为1Pas。一、基本概念和术语一、基本概念和术语n 牛顿流体（Newtonian fluid）：符合牛顿公式的流体。n 非牛顿液体（non- Newtonian fluid ）：不符合牛顿公式的流体。n 非牛顿流体的切应力与切速间无正比关系，比值/D不再是常数，而是切速的函数。n 表观粘度（apparent viscosity）：以a表示一定(/D)下的黏度，称表观粘度。一、基本概念和术语一、基本概念和术语一、基本概念

4、和术语一、基本概念和术语一、基本概念和术语一、基本概念和术语3. 黏度测定的方法测定黏度的方法主要有毛细管法、转筒法及落球法。（1）毛细管粘度计 用于测定液体、溶液和胶体溶液的黏度，主要使用于牛顿流体。毛细管粘度计的基本公式是Poiseuille公式tlvpr84式中，r、l 分别为毛细管的半径和长度； v 为在 t 时间内液体所流过的毛细管体积； p 为毛细管两端的压力差。粘 度测定公式一、基本概念和术语一、基本概念和术语 一般用已知黏度的液体测出粘度计的毛细管常数，再令待测液体在相同的条件下流过同一只毛细管。因为同一毛细管的r、l、v一定，故液体在毛细管中流动仅受压力差p的影响，在此处压力

5、差即为重力，即p=hg，故可根据下式求出待测液体的黏度：000tt 0、0、t0分别为标准液体（如纯水、纯苯等黏度已知）的黏度、密度、和使一定体积标准液体流过毛细管所经过的时间；、t 为待测液体的黏度、密度、和使同一体积待测液体流过毛细管所经过的时间。一、基本概念和术语一、基本概念和术语若溶液很稀，则0，这时00tt 只要测出已知黏度的标准液体和待测液体的流经时间，根据上式就可以测出待测液体的黏度。常作标准液体（20）水：1.00910-3Pas苯：6.4710-4Pas一、基本概念和术语一、基本概念和术语（2）转筒式黏度计 适用于非牛顿流体的黏度测定，实际工作中用于测定流体流型。 Storm

6、er粘度计工作机理 转筒式黏度计有两个同心筒组成，两筒间保持一定的间隙（例如13mm左右），此间隙为待测样品所充满。两筒中一筒转动，另一筒固定，这样在样品液体内部存在速度梯度，并产生流动阻力。作用在单位面积上的阻力极为切应力的大小。如外筒不动，靠加重量（砝码）使内筒转动，就可有由砝码质量、力臂长度、筒侧面积求出切应力值。一、基本概念和术语一、基本概念和术语一、基本概念和术语一、基本概念和术语转筒式黏度计的构造示意图一、基本概念和术语一、基本概念和术语 转筒式粘度计的类型较多，常用的是Stormer粘度计。无论哪种类型，体系黏度、筒的转速和所加重量W（有些仪器是根据弹簧丝的偏转角）之间的关系为：

7、WK或或式中，K为仪器常数，与转筒的半径、高度以及两筒间间隙等有关。 用已知黏度的牛顿流体（通常用甘油）进行测量，以W 对转速（r/min）作图，便可从直线的斜率求出仪器常数K。对同一台仪器测量不同转速下所需外加的重量，便可画出流变曲线，并可据此确定体系的流型。一、基本概念和术语一、基本概念和术语（3）落球黏度计原理：Stokes公式一、基本概念和术语一、基本概念和术语4. 层流与湍流 层流（ laminar flow）的特点：体系的流动处于稳恒状态，体系中任何一点的流速（包括大小、方向）不随时间而改变。 只有在层流条件下，牛顿公式才成立。 湍流（turbulent flow）：当流速超过某一

8、限度时，有不规则的或随时间而改变的旋涡生成，此时为湍流。 牛顿公式不适合湍流条件下的使用。一、基本概念和术语一、基本概念和术语流型的判断依据：雷诺系数（Reynolds number）用来描述液体的流体状况。它是一个无因次数：vdR eRe超过14002000临界值时，层流变为湍流。圆管中的流动：式中，v 为流速；d 为管直径；为液体的密度。一、基本概念和术语一、基本概念和术语 基本概念和术语 1 稀胶体溶液的黏度 2 浓分散体系的流变性质 3 胶粒的平均大小与多分散度 4目目 录录 定义相对黏度 r = 溶胶 / 溶剂 相对黏度的大小与质点的大小、形状、浓度、质点与介质的相互作用以及它在流场

9、中的定向程度等因素有关。 液体流动时，为克服内摩擦需要消耗一定的能量。倘若液体中有质点存在，则液体的流线在质点附近受到干扰，这就要消耗额外的能量，因此，溶胶或者悬浮液的黏度均高于纯溶剂的黏度。二、稀胶体溶液的黏度二、稀胶体溶液的黏度1. 分散相浓度的影响对于稀的溶胶或悬浮液，Einstein假定：质点是远大于溶剂分子的圆球；质点是缸体，且与介质无相互作用；溶胶很稀，液体经过质点时，各层流所受到的干扰不相互影响；无湍流。从而导出）（5 . 210式中， 为溶胶的黏度； 0为介质的黏度； 为分散相所占的体积分数。二、稀胶体溶液的黏度二、稀胶体溶液的黏度 实验证明，当浓度不大于3%（体积分数）的球形

10、质点， r与间确有线性关系，但是Einstein导出的式中常数往往大于2.5 。这可能是由于质点溶剂化，从而使实际的体积分数变大的缘故。 浓度较大时，质点间相互干扰，体系的黏度将急剧增加， Einstein公式就不再适用。二、稀胶体溶液的黏度二、稀胶体溶液的黏度2. 温度的影响 温度升高，液体分子间的相互作用减弱，因此液体的黏度随温度的升高而降低。 溶胶的黏度也随温度的升高而降低，由于溶剂的黏度也相应降低，故r 随温度的变化往往不大。 较浓的胶体体系，由于在低温时质点间常形成结果，甚至胶凝，而在高温时结果又常被破坏，故黏度随温度变化的幅度要大得多。二、稀胶体溶液的黏度二、稀胶体溶液的黏度注意3

11、. 质点形状的影响刚性棒状质点在速度梯度的定向作用可以忽略的条件式J)165 . 2(12r 式中，J 为分子的长短轴之比，与Einstein公式比较可以看出，质点越不对称，溶液的黏度越高。见教材第112页图2-67。 对于其他形状的质点，溶胶黏度都随质点的轴比(axial ratio)的增加而变大。二、稀胶体溶液的黏度二、稀胶体溶液的黏度 质点形状不对称的必然结果是偏离牛顿公式，此时切应力与切变速度的比值不再是常数，而是随切速的增加而下降，这主要是由于不对称质点在速度梯度场中的定向造成的。 在棒状质点两端处液体的流速不同，故质点受到一个转矩作用，促使其轴与流线平行定向，但布朗运动能使质点作无

12、规取向，这两个相反的结果使质点与流线成一定的取向。速度梯度越大，定向作用越强。定向的结果，往往可使质点与流动方向趋于一致，这当然会减小对液体流动的干扰，因此，表观黏度随速度梯度增加而下降。质点在流场中的定向二、稀胶体溶液的黏度二、稀胶体溶液的黏度4. 黏度与质点大小的关系 由Einstein公式可见，球形质点稀溶液的黏度仅与质点的体积分数有关，与质点大小无关，因此不能由黏度的测定来确定质点的大小。 若质点形状很不对称时，则黏度与质点大小很有关系，因为质点变大的结果常使其不对性增大（如线性高分子就是这样），故溶液的黏度也随之增大，因而有可能将黏度和质点大小定量地联系起来。 例如用黏度法测定线性高

13、分子溶液中高分子的分子量，已是实验室中最经常采用的一种方法。二、稀胶体溶液的黏度二、稀胶体溶液的黏度 若粒子带电，则溶液的黏度增加，这种额外的黏度通常称为电黏滞效应（electroviscous effect）。 5. 电荷对黏度的影响 溶液黏度和粒子半径r以及电位之间的关系式 )2(11 5 . 222000kr式中，k 为电导率；为介电常数；为Zeta电位。 当粒子带电时，粒子大小直接影响溶液的黏度。当电位为零时，则上式又转变为Einstein公式。这也说明电粘滞效应与电位共存。 二、稀胶体溶液的黏度二、稀胶体溶液的黏度 基本概念和术语 1 稀胶体溶液的黏度 2 浓分散体系的流变性质 3

14、胶粒的平均大小与多分散度 4目目 录录 以切变速度D对切应力 作图，可以得到流变曲线，它表示了体系的流变特性。按流变曲线的类型可将流体分为不同的流型。三、浓分散体系的流变性质三、浓分散体系的流变性质1. 牛顿体 D-关系为直线，且通过原点。即在任意小的外力作用下，液体就能发生流动。 从D-直线关系可见，直线的斜率越小，液体的黏度越大。 大多数纯液体（如水、甘油、低黏度油以及许多低分子化合物溶液和稀的溶胶）都是牛顿液体。 牛顿型液体常称为真液体。D 三、浓分散体系的流变性质三、浓分散体系的流变性质2. 塑性体 （plastic fluid） 也叫Bingham体。其流变曲线也是直线，但不经过原点

15、，而是与切力轴交在y 处，亦即只有当y 时，体系才流动，y 称为屈服值（yield value）。 外加切应力较小，不流动，只发生弹性变形；而一旦切应力超过某一限度时，体系的变形就是永久的，表现出可塑性，故称其为塑性体。 使塑性体开始流动所需加的临界切应力，即为屈服值。 D LfBfMf三、浓分散体系的流变性质三、浓分散体系的流变性质塑性体流变曲线的直线部分可表示为： -y =塑D （y ） 式中，塑称为塑性黏度（或结构黏度），它和屈服值y 是塑性体的两个重要流变参数。解 释 静止时，不规则粒子形成网状结构，须破坏其网状结构方可流动。达到层流切力后结构被彻底破坏。三、浓分散体系的流变性质三、浓

16、分散体系的流变性质 钻井泥浆：黏土质点成片状，基面带负电，侧面带少量正电。黏土粒子在水中易形成结构。开钻时高速循环泥浆，结构被拆散，流动阻力小。停钻后结构重新形成，屈服值保证了岩屑的悬浮，也可防止泥浆渗入地层。实 例三、浓分散体系的流变性质三、浓分散体系的流变性质3. 假塑体 （pseudoplastic fluid）D o特点 无屈服值，其流变曲线通过原点，表观黏度0随切力增加而下降，亦即搅得越快，显得越稀。其流变曲线为一凹向切力轴的曲线。nKD 10 n大部分高分子溶液和乳状液属此流型。K 是粘稠度的量度，K 越大，液体越粘稠；n1）表观粘度：)1(annkDDkDD三、浓分散体系的流变性

17、质三、浓分散体系的流变性质D o（1）颗粒必须是分散的而不是聚结的；（2）分散相浓度相当大，且在一狭小范围内。 浓度低时为牛顿体，高时为塑性体。条件解 释 切力不大时，颗粒散开，黏度小； 切力大时，颗粒被搅在一起，增加流动阻力。应用实例 钻井时如果遇到胀流性很强的地层会发生严重的卡钻事故。三、浓分散体系的流变性质三、浓分散体系的流变性质5. 触变流型 触变性（thixotrophy）摇动变成流体、静置又变成半固体的性质。 触变性是体系粘度与切应力作用时间的长短有关的现象。解 释 静止时不规则粒子形成结构，搅拌时被打散，结构的拆散和形成与时间有关。应用实例利用泥浆的触变性将岩屑自井中运到井外。成

18、因复杂、应用广泛。三、浓分散体系的流变性质三、浓分散体系的流变性质 基本概念和术语 1 稀胶体溶液的黏度 2 浓分散体系的流变性质 3 胶粒的平均大小与多分散度 4目目 录录绝大多数胶体体系是多分散的，即胶粒大小是不均匀的。 在胶体科学中，常用胶粒直径（或半径）的平均值表征胶粒。 1. 数均直径iiiiindfndnd用显微镜法测得的胶粒平均直径具有数均性质。 四、胶粒的平均大小与多分散度四、胶粒的平均大小与多分散度 式中，ni代表直径为di的胶粒数目； 是此种胶粒在胶粒总数中占的分数，亦即加权因子。iiinnf2. 面均直径 测定胶粒总数后，自吸附实验可求得胶粒的平均表面积 ，再由表面积折算胶粒直径：