流变学能够为我们做什么？

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1、流变仪能够为我们做什么？流变仪能够为我们做什么？ ? 一切都在控制之下 什么是流变学什么是流变学 ? 什么是流变学？ 流变学：研究物质流动流动和变形的科学 Rheology = the science of deformation and flow of matter (Society Of Rheology, SOR) 希腊语希腊语: : rheosrheos = to = to flowflow，流动，流动 流 动 行 为流 动 行 为 www.physica.de 变 形 行 为变 形 行 为 流变学（流变学（流变学（流变学（RheologyRheology） 研究物质的流动及变形行为研

2、究物质的流动及变形行为研究物质的流动及变形行为研究物质的流动及变形行为 流体 （流动行为） NewtonNewton定律定律 固体 （变形行为） HookeHooke定律定律 粘弹性流体 （流动行为） MaxwellMaxwell定律定律 粘弹性固体 （变形行为） Kelvin/VoigtKelvin/Voigt定律定律 粘性 （viscous） 弹性 （elastic） 粘弹性 （viscoelastic） 流变学的研究内容流变学的研究内容 流变学的研究范围及方法流变学的研究范围及方法 蠕变实验弛豫实验振荡实验蠕变实验弛豫实验振荡实验流动流动/粘度曲线粘度曲线 Hook定律定律Kelvin/

3、Voigt定律定律Maxwell定律定律Newton定律定律 (弹性弹性)变形行为变形行为粘弹性变形行为粘弹性变形行为粘弹性流动行为粘弹性流动行为(理想理想)粘性流体行为粘性流体行为 固 体固 体液体液体物质状态 性能表现 依据原理 研究方法 稳态流变学动态流变学 物质状态 性能表现 依据原理 研究方法 稳态流变学动态流变学 ? 时间和频率 ? 剪切应力和应变 ?温度温度 ? 压力 流变性质由于以下因素发生变化流变性质由于以下因素发生变化 定义定义 粘弹性流体 粘弹性固体 软固体 100% 粘性流体 流动行为流动行为理想牛顿流体理想牛顿流体 0 10 20 30 40 50 60 80 mPa

4、s 0 10 20 30 40 50 60 80 Pa 0200 400 6001000 1/s 剪切速率剪切速率 矿物油矿物油 * * 10 0 10 1 Pas 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 3 Pa 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 1/s 剪切速率剪切速率 硅油硅油 * * * * 可用于校正可用于校正 NewtonNewton s Law: ETA = TAU / SHEAR RATEs Law: ETA = TAU / SHEAR RATE 0 0.5 1 1.5 2 Pas 01002003004005001/s S

5、hear Rate . 理想流体理想流体 粘度 粘弹性流体 剪切变稀） 粘弹性流体 剪切变稀） 流动行为流动行为比较比较 润滑剂的流变学润滑剂的流变学2 种不同的润滑脂种不同的润滑脂 +20C时的流变曲线时的流变曲线 10 -1 10 0 Pas 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 Pa 10 0 10 1 10 2 10 3 1/s Shear Rate . 部分合成 完全合成 润滑剂的流变学润滑剂的流变学2 种不同的润滑脂种不同的润滑脂 +20 and -40C时的流变曲线时的流变曲线 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 5 Pas 10 -2 10

6、-1 10 0 10 1 10 2 10 3 1/s Shear Rate . 部分合成 20C 完全合成 20C 部分合成 -40C 完全合成 -40C ? 流出 ? 喷射 ? 挤压 ? 涂敷 ? 填充 ? . 备注备注: 所测量的粘性直接与物质的流动性有关所测量的粘性直接与物质的流动性有关 流动曲线与以下应用有关流动曲线与以下应用有关 粘弹性流体粘弹性流体粘弹性流体粘弹性流体剪切变稀聚合物剪切变稀聚合物剪切变稀聚合物剪切变稀聚合物 为什么会这样为什么会这样? ? 静止的分子 剪切下的分子 高粘度 大分子缠绕成球形 大分子变形并且解缠 低粘度 Shear rateShear rate vis

7、cosityviscosity 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Pas 0 50 100 150 200 Pa 02004006001,0001/s 壁纸胶壁纸胶 (lin) (aqueous methylcellulose solution) Viscosity Shear Stress Shear Rate . 流变曲线流变曲线剪切变稀（线性坐标）剪切变稀（线性坐标） 10 -1 10 0 Pas 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 3 Pa 10 -2 10 0 10 2 1/s 壁纸胶壁纸胶 (log) (aqueous methylcellu

8、lose solution) Viscosity Shear Stress Shear Rate . 流变曲线流变曲线剪切变稀（对数坐标）剪切变稀（对数坐标） 10 -2 10 -1 10 0 10 1 Pas 10 -2 10 -1 10 0 10 2 1/s Shear Rate . 矿物油矿物油 粘度 壁纸胶壁纸胶 (log) 聚合物溶液聚合物溶液 流变曲线流变曲线比较比较 施加力大于材料结构力施加力大于材料结构力 各种糊状或胶体状的材料各种糊状或胶体状的材料如: 面糊、 导电胶, 牙膏, 填充聚合物,密封剂, 装填物、油漆, 胶印油墨, 陶瓷桨料、唇膏, 药膏, 番茄酱, 蛋黄酱, 巧

9、克力 酱, 黄油, 凝胶体 表观屈服应力表观屈服应力 低应力 没有运动 高应力高应力 样品开始运动样品开始运动 1 2 04.05 10 0 10 1 10 2 Pas 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 1/s Shear Rate . 无零剪切粘度有屈服应力无零剪切粘度有屈服应力 有零剪切粘度无屈服应力有零剪切粘度无屈服应力 粘性曲线粘性曲线对数坐标对数坐标 粘度 屈服值屈服值屈服值屈服值( (线性线性线性线性 / /对数对数对数对数) ) 无流动 - 样品开始流动 - 注意注意: 屈服值不是物质常数屈服值不是物质常数 其大小与以下因素明显相关 ? 测量环境 ? 表述方式

10、 ?分析方法 屈服点 屈服值屈服值 高屈服值高屈服值 低屈服值 典型的屈服值测量典型的屈服值测量典型的屈服值测量典型的屈服值测量 测量的屈服点 原始数据点 回归曲线 Herschel-Bulkley 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 Pa 1 10 100 Pas 01020304050607080901001/s Shear Rate . Hair Gel Shear Stress Viscosity Hair Gel YIELD POINT Herschel-Bulkley tau0 = 39.722 Pa; b = 34.

11、309; p = 0.39718 Shear Stress Viscosity 屈服值的回归方法屈服值的回归方法屈服值的回归方法屈服值的回归方法线性坐标线性坐标 Shear Rate . 0 1 2 3 4 5 7 Pa 0204060801001/s 钻井液 CC 27 钻井液 Casson标准屈服点 tau0= 0.8 Pa Casson方法得出的屈服点 举例举例流动流动: Hagen-Poiseuille 相关 ?剪切应力和速率: ?压力差: ?按照经验我们得出: Q w d=0 mm Shear Stress Viscosity Kaolin 10% 1 YIELD POINT Her

12、schel-Bulkleyextr tau0 = 11.714 Pa; b = 5.2415; p = 0.21411 Shear Stress Viscosity d=0 mm Viscosity A 30 s Delta=64,382 % nach t=30 s Viscosity A 120 s Delta=82,429 % nach t=120 s Viscosity B CC 27; d=0 mm Viscosity B 30 s Delta=45,592 % nach t=30 s Viscosity B 120 s Delta=61,75 % nach t=120 s Visco

13、sity 触变性触变性结构破坏与恢复结构破坏与恢复 64% 82% 45% 61% 恢复 温度实验温度实验粘度随温度的变化 ?软化软化, 溶化溶化 (当加热时; 如: 矿物油,硅油) ? 固化固化, 结晶结晶, 冷冻冷冻 (当冷却时; 如: 原油,巧克力, 蜡, 水); 温度曲线温度曲线原油原油 t,mp=30s 时间实验时间实验时间实验时间实验定义定义定义定义 G G 凝胶态 (固态) tSG: 状态 转化点 lg G t tSG lg G 固态 液态 化学反应化学反应: curing 时间实验时间实验时间实验时间实验定义定义定义定义 时间实验时间实验时间实验时间实验加催化剂等温凝胶形成过程

14、加催化剂等温凝胶形成过程加催化剂等温凝胶形成过程加催化剂等温凝胶形成过程 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 5 Pa G G 010203040506070min Time t Enzyme A , PP 50 d=1 mm GStorage Modulus GLoss Modulus Enzyme A CROSS OVER t = 2623.3 s; G = 1.0971 Pa GStorage Modulus GLoss Modulus t 0 预设预设: 振荡振荡 ? 固定振幅 ? 固定频率 ? 典型的条件 f = 1Hz and 角变形 = 1% (但是在LVE区域内

15、); ? 时间和加热速率: t,mp=30s; 加热速率 = 2K/min 温度实验温度实验温度实验温度实验定义定义定义定义 Advanced Peltier System actively heated hood (US Patent 6,571,610) 多数人仅使用 Peltier 控制底盘温度 问题: 底盘与室温之间的温度梯度 解决: 使用附加的Peltier控温护罩(专利) 开放系 统 消极的 护罩 Physica PTD 200 PTD 200PTD 200( (专利专利专利专利) ) 温度实验温度实验溶化的溶化的Cheese ( )=tan elastic viscous G G G G Viscoelastic Viscoelastic PropertiesProperties of of MeltingMelting CheeseCheese as as functionfunction of of thethe appliedapplied temperaturetemperature 10 2 10 3 10 4 10 5 Pa G G 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 tan( ) 2030405060708090100C TemperatureT 融化点融化点 Settings