第九章 胶体分散体系的流变性质

1、第九章第九章 胶体分散体系胶体分散体系的流变性质的流变性质 第一节第一节 黏度黏度与与黏度黏度测定方法测定方法 一、牛顿（一、牛顿（Newton）方程方程 各流层间存在速度差异，或者说存在速度梯度dv/dy。由于分子的热运动和分子间的相互作用，那么低流速层对于相邻高流速层便存在黏滞阻力，也就是内摩擦力。黏滞阻力F正比于两液层间的接触面积A和速度梯度 F A dv/dy 变成等式： F A dv/dy 或 F/ A dv/dy 这就是Newton方程， 比例系数称为液体的黏度 系数或黏度(viscosity coefficient)，单位是Pa.s。 图91 管路中稳流状态的液体各流层流动速度

2、分布示意图 F/ A 是施加在单位流层面积上的力，称为切应力（shearing stress），用表示， 即： F/ A 的单位为Pa(即N/m2)。 速度梯度dv/dy又称切变速度，用D表示， 即： D = dv/dy NewtonNewton方程又可以表示为：方程又可以表示为： D 关于液体的流动状态问题，明确两点： 1. 尽管各流层的流动速度不同，但是各层的速度是不随时间变化的 。 2. Newton方程仅适用于流速较低的层流，此时流体的密度和黏度不随D而变化，这样的流体称为Newton流体。 若流速超过某一限度时，流体中出现水漩，表明流动状态改变为湍流，这时Newton方程就不再适用了

3、，这样的流体称为非Newton流体。 此时切应力与速度梯度的比值不再是常数，而是速度梯度的函数。液体的流动状态由无因次的雷诺（Raynold）数 决定：式中v为液体流速、r管路内半径，液体的密度。 RvrR 二、液体黏度的测定方法二、液体黏度的测定方法 1降球法降球法介质密度为1，粒子密度为2，体积为V，恒定速度v；降球的沉降速度不能太大。 2毛细管法毛细管法 Poiseulle方程计算黏度：相对法：式中和1分别是待测液体和已知黏度液体的密度，由此式即可计算出待测液体的黏度。 vgR9)(2122 =图92 奥氏(a)和乌氏(b) 黏度计VLtpR84tt111=3. 3. 旋转黏度计旋转黏度

4、计 转桶黏度计的原理。在半径分别为R和fR长度为L的外与内桶之间放入被测液体。令外桶以角速度旋转，在液体黏度和切应力的作用下，内桶向相反的方向扭动，直至两个大小相等方向相反时扭矩达到平衡。与内桶相连的扭力丝的旋转角为，故有： = k 式中k是与仪器有关的常数，此式是旋转法测定液体黏度的基本公式。 图93 转桶黏度计(a)和锥板黏度计(b)(a)(b)第二节节 稀分散体系的黏度 分散体系中分散相粒子的存在会改变液体的流动方式，进而增大黏度值。 图9-4 分散相粒子改变液体流动状态示意图一、EinsteinEinstein黏度公式 推导此公式的前提假设是： 分散介质的流动状态为层流，介质的密度和黏

5、度为常数； 分散相为刚性小球且球面完全为介质润湿； 硬球远大于介质分子，因此介质可视为连续相；而硬球又远小于测量仪器，故可忽略壁部效应； 分散体系浓度很稀，刚性小球间不相互影响，每个刚性小球均以一定的流动形式存在。 )5 . 21 (0 除了和0以外还有其他一些黏度表达形式，比如代表分散相对体系黏度的贡献的增比黏度sp等。 表表9 9- -1 1 常常用用的的几几个个表表示示黏黏度度数数据据的的名名称称和和内内容容名称符号定义IUPAC名称黏度相对黏度增比黏度比浓黏度固有黏度特性黏度 rsp redinkr1sp /Clnr /C limred或 limink黏度比黏数对数黏度极限黏度二、二、

6、EinsteinEinstein黏度公式的偏差与偏差来源黏度公式的偏差与偏差来源 1.1.分散相的浓度分散相的浓度 因为Einstein黏度公式仅适用于分散相为球形的稀分散体系，也可以说常数2.5与体系浓度和分散相粒子形态有关。对于浓体系和非球形分散相，最简单的修正方法是用某个数值常数取代2.5，则有： 因为黏度是体系能量消耗速率的量度 ， 则 2.5)1 (02分散相粒子的形状 分散相为非球形粒子的体系黏度iR要大于球形粒子分散相的体系的黏度R。 比较实验数据曲线与理论曲线可知：轴比越大，则偏差越大；分散相浓度越大，则偏差也越大；即使很小（除非0，纯溶剂时），偏差依然存在。 这样的结论恰恰表

7、明Einstein黏度公式是球形分散相分散体系的极限公式。图9-5 三种不同轴比a/b的烟草斑纹病毒的r关系图。a/b1是理论曲线，其他为实验曲线。3. 3. 分散相粒子的溶剂化分散相粒子的溶剂化 Einstein黏度公式中的 是干粒子体积分数。粒子的溶剂化使每个粒子的表观体积增大，从而使分散相体积增大，值也加大，因此必须修正Einstein黏度公式中的 值。如果以 表示溶剂化后的分散相体积分数，则有： 对憎液溶胶 对亲液溶胶 1)31 (1RR+=)1 (12211mmb+=4.4.带电带电分散相粒子间间相互作用 带电的分散相粒子会产生几种效带电的分散相粒子会产生几种效应应：带电粒子附近存在

8、双电层使粒子的有效体积增大；带相同电荷的粒子在布朗运动作用下靠近到双电层相互搭接时的静电排斥作用；在电场的作用下，带电粒子连同紧密层和部分扩散层与离子氛向相反方向运动而产生的松弛作用；大分子链段互相排斥使大分子更加伸展，而且带电越多，伸展的程度越大。 图9-6 随带电量和水化程度的加大，线性大分子在溶液中伸展程度增大示意图粒子带电引起的黏度变化的现象称为电粘效应 。增比黏度公式:)2(11 5 . 2220rsp+=5. 分散体系的多分散性分散体系的多分散性 多分散体系的黏度公式的数学处理：按照粒径大小将分散相分成若干级分，每个级分的体积分数 10% 。若将 的i组分加到体系中去，由Einst

9、ein黏度公式微分得到：任一级分的体积分数与 分散相的总体积分数的关系为：积分限： 0时， ，积分结果为： 1.02.03.04.05.06.00.10.20.30.40.50 图9-7 多分散性对黏度的影响iidid5 . 2d0 =2.50)1 (这就是多分散性对Einstein黏度公式的修正式。 三、大分子溶液的黏度三、大分子溶液的黏度 1大分子伸展程度与溶液黏度的关系 2MarkHouwink公式: 即特性黏度与大分子的分子量成正比。式中k和a均为经验常数. lg = lgk + algM akM表表9 9- -3 3 一一些些聚聚合合物物溶溶液液的的k和和a值值（25）聚合物溶剂k1

10、05(m3/kg)a醋酸纤维素聚苯乙烯聚氯乙烯天然橡胶聚异丁烯纤维素丙酮甲苯环己酮甲苯苯铜氨溶液1.493.700.115.0210.70.850.820.621.000.670.500.81第三节第三节 浓分散体系的流变性质浓分散体系的流变性质 按照分散相浓度大小，将分散体系分成两类： 自由型分散体系。 结合型分散体系。 一、浓分散体系中的结构一、浓分散体系中的结构 1絮凝结构图9-8 絮凝结构示意图。1.分散相粒子 2.失去稳定性的表面区域 3.仍保持稳定的表面 4.充满介质的“晶胞” 图9-9 絮凝结构的脱水收缩现象(a)收缩前 （b）收缩后 2浓缩结晶型结构 这是粒子靠化学键力而结合的

11、结构。 比如硅胶的制备和浓缩过程形成SiO交联的网络结构，再如以水泥、石膏和石灰为基础的建筑材料固化过程形成的结晶结构。浓缩结晶型结构是不可逆的，不可能再返回到初始的浓分散体系，也不具有触变性、塑性和弹性。二、各种流型二、各种流型 1Newton体 2. 塑性流体 塑性流体可以用Bingham方程取代 Newton方程来描述其流变行为： 3.假塑性流体式中k是与分散体系有关的经验常数，它的大小标志体系表观黏度的大小，故为体系稠度的量度。 Dyvc)dd(图910 流变曲线。a. Newton体b.塑性体 c.假塑性体 d.胀流体塑性体假塑性体牛顿体胀流体abcdc)dd(xvD )(AF图91

12、1假塑性体完整的流变曲线nkD1nakDD 4.胀流体 及 形成胀流体必须满足两个必要条件： 分散体系的浓度必须适当。 未搅动前流体中的粒子必须是孤立存在的不发生絮凝，也就不存在任何结构 。 nDk1nakD图9-12 胀流体内的结构形成过程三、触变触变性 在恒温条件下，若对具有絮凝结构的浓分散体系施加机械作用（比如搅拌），这种结构被破坏，尤其是棒状、片状和长椭球形这一类粒子会按照液体流动的方向定向，体系的表观黏度迅速降低；一旦外力取消，由于粒子的布朗运动，粒子成功的碰撞，一段时间之后，结构重新形成，体系的黏度再度增加。这种现象就是流体的触变性（thixotropy）。 随着外力的再次施加和撤离，触变性会反复出现。 决定分散体系的触变性的主要因素有：决定分散体系的触变性的主要因素有： 分散体系中必须有分散相粒子形成的结构 因此凡是对结构的形成起作用的因素皆影响触变性。 因素包括： 分散相粒子的浓度必须很高，以致粒子的碰撞频率很大，方有形成结构的可能； 电解质的浓度。电解质的加入会压缩粒子周围双电层的扩散层，降低粒子的电位，有助于粒子的靠近而形成结构； 温度。温度上升会加剧粒子的布朗运动，从而使粒子易于碰撞并形成结构 分散相粒子的不对称性影响分散体系触