流变学基础(一)

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1、流变测量学基础(一)一、流变学的基本概念1.流变学研究内容流变学一Rheology,来源于希腊的Rheos=Sream(流动)词语，是Bingham和Crawford为了表示液体的流动和固体的变形现象而提出來的概念。流变学主要是研究物质的流动和变形的一门科学。流动是液体和气体的主要性质流动的难易程度与流体本身的粘性(viscosity)有关，因此流动也可视为一种非可逆性变形过程。变形是固体的主要性质乙一，对某一物体外加压力时，其内部各部分的形状和体积发生变化，即所谓的变形。对固体沌加外力，固体内部存在一种与外力相对抗的内力使固体保持原状。此时在单位面积

2、上存在的内力称为内应力(stress)o对于外部应力而产生的固体的变形，当去除Jt应力时恢复原状的性质称为弹性(elasticity)0把这种可逆性变形称为弹性变形(elasticdefonnation),而非可逆性变形称为塑形变形(plasticdefdrmation)。实际上，多数物质对外力表现为弹性和粘性双重特性，我们称之为粘弹性，具有这种特性的物质我们称Z为粘弹性物质。2.剪切应力与剪切速度观察河道中流水，水流方向一致，但水流速度不同，中心处的水流最快，越靠近河岸的水流越慢。因此在流速不太快时町以将流动着的液体视为由若十互相平行移动的液层所组成

3、的，这种流动方式叫层流，如图U由于各层的速度不同，便形成速度梯度d"d/2,或称剪切速率。流动较慢的液层阻滞着流动较快液层的运动，使各液层I'可产牛相对运动的外力叫剪切力,在单位液层而积(A)上所需施加的这种力称为剪切应力，简称剪切力(ShearStress),单位为N・m3即Pa,以t表示。剪切速度(ShearRate),单位为s'1,以了表示。剪切速率打剪切应力是表征体系流变性质的两个基本参数。图1流动时形成的速度梯度3.粘度粘度是反应物质流动时内摩擦的大小的物理量；根据测量方法的不同，粘度通常冇多种表示方法，比如我们最常用的动力学粘度和运动粘度，

4、以及一些特定的粘度测定方法,如流杯、稠度计、恩氏粘度等等。二.流体的分类根据流动和变形形式不同，将物质分类为牛顿流体和非牛顿流体。牛顿流体遵循牛顿流动法则，非牛顿流体不遵循该法则。1.牛顿流体实验证明，纯液体和多数低分了溶液在层流条件下的剪切应力T与剪切速率;成止比，式1为牛顿粘度定律(Newtonianequation),遵循该法则的液体为丫顿流体(Newtonianfluid)o■r=?j-F/A或t=r)xy(1)式中，F：A面积上施加的力;n:粘度(viscosity)或粘度系数(viscositycoefficient),是表示流体粘性的物理

5、常数。SI单位中粘度用Pas表示；常用单位还有mPas>P(泊)、cP(厘泊)，其中lP=0.1Pas,lcP=lmPaso根据公式町知牛顿液体的剪切速率;与剪切应力Tz间关系，如图2所示,呈直线关系,且肓线经过原点。这时肓线的斜率表示粘度，粘度与剪切速度无关，而且是可逆过程，只要温度一定，粘度就一定。图2牛顿流体的流动曲线和粘度曲线表120°C条件下儿种牛顿流体的绝对粘度液体粘度/mPas裁麻油1000氯仿0.563乙B1.19U*油400橄榄汕100水1.00192.非牛顿流动实际上人多数液体不符合牛顿定律，如高分子溶液、胶体溶液、乳剂、混悬剂、软

6、膏以及固■液的不均匀体系的流动均不遵循牛顿定律，因此称Z为非牛顿流体(non-Newtonianfluid),此种物质的流动现象称为非牛顿流动(non-Newtonianflow)。对于非牛顿流体可以用旋转粘度计测定其粘度，对其剪切应力丫随剪切速率;的变化作图可得，如图3和图4屮所示的流动曲线(flowcurve)或粘度曲线(viscositycurve)。根据非牛顿流体流动曲线的类型把非牛顿流动分为塑性流动、假塑性流动和胀性流动三种。2.1塑性流动塑性流动(plasticflow)的流动曲线如图14-7(b)所示，曲线不经过原点，在剪切应力t轴上的某

7、处有交点，将曲线外延至了=0,在p轴上某一点口J以屈服值(yieldvalue)0当剪切应力达不到屈服值以上时，液体在剪切应力作用下不发生流动，而表现为弹性变形。当剪切应力增加至屈服值时，液体开始流动，剪切速率;和剪切应力丫呈直线关系。液体的这种变形称为槊•性流动。引起液体流动的最低剪切应力为屈服值5，图3具有屈服应力流体的流动Illi线2.2假塑性流动(假塑性流体)假塑性流动(pseudoplasticflow)的流动曲线和粘度曲线如图4中的2号样品所示。随着剪切速率;值的增大而粘度下降的流动称为假塑性流动，具冇这种性质的流体称为假塑性流体或剪切稀化

8、(shearthinning)型流体。图4牛顿流体、假塑性流体、胀塑性流体的流动曲线和粘度曲线