流变学基础-第二章

1、流 变 学 基 础,授课学时：32学时 授课对象：印07-15班 授课老师：魏先福 授课时间：08-09第二学期,第二章 粘度及其测量方法,一、什么是粘度（viscosity）？ 二、粘度计和流变仪有什么区别？ 三、各种粘度计的粘度测试原理及方法？ 四、触变性（thixotropy）及其测试与表征,一、什么是粘度（visicosity）？,第二章 粘度及其测量方法,f：摩擦阻力,h：能量耗散,1、剪切粘度,第二章 粘度及其测量方法,2、拉伸粘度,缺图,第二章 粘度及其测量方法,单轴拉伸流动,双轴拉伸流动,第二章 粘度及其测量方法,平面拉伸流动,第二章 粘度及其测量方法,第二章 粘度及其测量方法

2、,二、粘度计（viscometer）与流变仪（rheometer）,粘度计,测量液体粘度的仪器,流变仪,既能测试物质的粘度又能测试物质的弹性的流变仪,稳态条件（稳态测试）,动态条件（动态测试）,周期性函数,1、粘度计与流变仪的区别,第二章 粘度及其测量方法,2、粘度计的种类,毛细管粘度计（乌式、肖式等） 旋转粘度计（布式、E型、B型等） 平行板粘度计 下落式粘度计（落球、落棒等） 粘度杯（涂4杯、柴恩杯等）,不同的粘度计适用的被测物不同,第二章 粘度及其测量方法,三、粘度测试原理,毛细管粘度计,适用于： 低粘度液体,毛细管粘度计测试原理,L：长度 R：半径 P：压力,距离毛细管中心轴r处的 剪

3、切应力s,速度梯度D （剪切速率 ） 为切变应力的函数,第二章 粘度及其测量方法,流速Q（=V/t，V为液体在t时间内流过毛细管的体积）可以用下列积分式求出：,当r=0时，s0,（管壁处的剪切应力）,当r=R时，,第二章 粘度及其测量方法,第二章 粘度及其测量方法,牛顿流体,Poisealle（泊肃叶）方程,第二章 粘度及其测量方法,塑性流体,当,，即,时,Q0,Buckingham-Reiner公式,第二章 粘度及其测量方法,s,Newtonian liquid,plastic liquid,第二章 粘度及其测量方法,准粘性流体（幂率定律）,流动曲线,修正项,第二章 粘度及其测量方法,旋转粘

4、度计,根据旋转粘度计夹具的结构，主要可以分为： 同心圆筒型（couette） 适用于低粘度样品 圆锥圆板型（cone-plate）适用于中、高粘度样品 平行板型（paralle plate）适用于中、高粘度样品,第二章 粘度及其测量方法,同心圆筒型（couette）,被测样品置放在外筒C内筒B的间隙之间，内筒由一细线E固定于上方F，细线部分装有能够检测内筒旋转角度的传感器G。,测试原理： 给外筒C施加一个作用力（如力矩M）使其发生旋转，则内筒B由于被测样品具有一定的粘性，而随之产生偏转。粘度大的试样，内筒将有较大的偏转，反之偏转较小。检测出在力矩M作用下内筒的偏转角，计算被测试样的粘度。,第二

5、章 粘度及其测量方法,设：内筒半径为R1， 外筒半径为R2， 外筒在力矩M的作用下， 以角速度W发生旋转,距中心轴r处，厚度dr的薄状圆柱面 所受的应力s为：,第二章 粘度及其测量方法,若以v表示该处的切向速率（线速度），当该处的角速度为w时，v=rw成立，则速度梯度D（或剪切速率）为：,剪切应力只与等式右边的第二项有关，速度梯度D:,第二章 粘度及其测量方法,积分,w=0时,w=W时,第二章 粘度及其测量方法,牛顿流体,第二章 粘度及其测量方法,塑性流体,时，W=0，,时，,时,第二章 粘度及其测量方法,s,M,W,W,M,Newtonian liquid,plastic liquid,第二

6、章 粘度及其测量方法,non-Newtonian liquid,流动曲线,修正项,double-bob,第二章 粘度及其测量方法,圆锥圆板型（cone-plate）,设：圆锥、圆板的半径均为R，圆锥锥角q，圆板在力矩M的作用下，以角速度W旋转,圆锥锥角很小（通常小于5）,圆板距中心轴r处的线速度为：,r处圆锥与圆板间的距离为：,第二章 粘度及其测量方法,速度梯度D及剪切速率 为：,剪切速率与位置无关,设：圆板上的方位角为j， 则，距离中心轴r处由（r，r+dr）和（j，j+dj）构成的微小面积元所受到的力矩为：,第二章 粘度及其测量方法,整个夹具区域受到的力矩：,第二章 粘度及其测量方法,落球

7、粘度计,hs：Stokes粘度， rs：落球的密度， r：液体的密度， g：重力加速度， r：（d/2）落球的半径， v：落球的下落速度。,Stokes公式,第二章 粘度及其测量方法,落球粘度计,Faxen修正公式,第二章 粘度及其测量方法,落棒粘度计（拉雷粘度计）,1金属环（圆环） 2圆环孔隙 3落棒 4支撑片 5计时距离的上部标记 6计时距离的下部标记 7加载荷重 8循环水套 9水平调节器 10水平调节螺丝 11支柱 r 落棒的半径 R 孔隙半径 l 孔隙有效长度 L测试距离,第二章 粘度及其测量方法, 剪切应力 W 棒和所加载荷的总重量 A 表观剪切面积; g 重力加速度; m 棒和所加

8、载荷的总质量; r 棒的半径; l 圆环孔隙的有效长度.,应力s,第二章 粘度及其测量方法,L落棒下落距离 R 圆环孔隙半径 t 下落时间,落棒半径与孔隙半径之比固定不变时,s孔隙半径与落棒半径之差（落棒表面的油墨厚度）,剪切速率,粘度h,第二章 粘度及其测量方法,平行板粘度计,第二章 粘度及其测量方法,（t1=10s; t2=100s）,SL：直线斜率，墨丝长短；I：截距，油墨的软硬程度,第二章 粘度及其测量方法,第二章 粘度及其测量方法,粘度杯,第二章 粘度及其测量方法,拉伸粘度与剪切粘度的关系,牛顿流体,Ttouton比,第二章 粘度及其测量方法,四、伴随结构变化的流动,体系内部 的结构

9、变化,第二章 粘度及其测量方法,具有内部结构的体系（通常为流体）在外界刺激作用下，由体系中组分形成的结构发生变化，导致体系的表观粘度下降、弹性等流变学性能发生变化。,复杂的流变学现象,从粘度变化看：,涨流现象,触变现象,第二章 粘度及其测量方法,触变性,1、什么是触变性？（定义）,在常规条件下，具有内部结构的体系（通常为流体）在外界刺激作用下，体系的表观粘度下降，一旦外界刺激停止，体系表观粘度又恢复的现象。,Fe(OH)3+H2O Zn(OH)2+H2O 粘土 酸性白土 印刷油墨,悬浊液体系,第二章 粘度及其测量方法,2、触变性的测量与表征（评价）,破解指数H,第二章 粘度及其测量方法,时间指

10、数B,第二章 粘度及其测量方法,触变环（面积）S,测试模式,（thixotropy loop）,第二章 粘度及其测量方法,S = 面积,第二章 粘度及其测量方法,同种油墨在三种不同测试条件下的触变环,第二章 粘度及其测量方法,牙膏的触变环,第二章 粘度及其测量方法,触变指数K,测试模式,第二章 粘度及其测量方法,K = tga,第二章 粘度及其测量方法,第二章 粘度及其测量方法,第二章 粘度及其测量方法,逆触变性（rheopexy）,触变性，简单的说，就是在外力（如剪切变形）作用下，粒子形成的内部结构被破坏，一旦停止外力，被破坏的内部结构将重新形成（在粒子间引力作用下）的现象。 与此相反，常常

11、有一些体系，在外力作用下，粒子形成的内部结构不但没有被破坏（一般指较小的外力），反而助长了其结构的生长的现象。这种现象就叫做逆触变性。,从现象上看，在较小的外力作用下，体系的粘度上升,第二章 思考题,1粘度计的种类及其粘度测试原理？ 2圆锥圆板夹具旋转粘度计的特点？ 3测试胶印油墨的粘度应使用哪类粘度计？测试照相凹版 油墨使用哪类粘度计？阐述原因。 4什么是触变性？触变性的评价方法有哪些？如何评价？ 5设计一种用触变环评价UV丝网印刷油墨的测试模式？设 计一种用触变指数评价胶印油墨的测试模式？ 6说明shear thinning、shear thickening非牛顿流体的流动 特征。 7粘度计与流变仪有什么区别？ 8推导使用圆锥圆板夹具旋转粘度计测试牛顿流体的粘 度、应力计算公式。,思考题,1. 说明具有圆锥圆板夹具的旋转粘度计的特点及粘度测试原理。 2已知某分散体系具有触变性，作