流变学测量方法简介

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1、流变学测量方法简介 奥地利安东帕有限公司 (Anton Paar GmbH) www.anton- 流变学测量方法流变学测量方法 简简 介介 流变学测量方法简介 奥地利安东帕有限公司 (Anton Paar GmbH) www.anton- 目目 录录 一. 流变学基本概念 . 2 1.1 流变学研究的内容 . 2 1.2 剪切应力与剪切速度 . 2 1.3 粘度 . 2 1.4 流体的分类 . 2 1.5 影响材料流变学性质的因素 . 4 二. 流动特性的研究 - 旋转测量 . 6 2.1 旋转测量的目的 6 2.2 旋转测量的方法 6 2.3 旋转测量中的几种分析模型 7 三. 变形特性的

2、研究 振荡测量 . 9 3.1 振荡测量的原理 9 3.2 振荡测量的方法 10 3.3 振荡测量中的几种分析方法 12 四. 化学反应过程中的流变测试 . 13 五. 温度变化过程中的流变测试 . 14 5.1 粘温曲线测量 15 5.2 凝固、熔融过程 15 5.3 有化学反应的相转变过程 15 5.4 DMTA 测量 16 六. 流变测量指南 17 6.1 测试系统的选择 17 6.2 旋转测试 17 6.3 振荡实验 18 流变学测量方法简介 奥地利安东帕有限公司 (Anton Paar GmbH) www.anton- 一一. 流变学基本概念流变学基本概念 1.1 流变学研究的内容流

3、变学研究的内容 流变学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来的概念。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之一，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之一，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。对固体施加外力，固体内部存 在一种与外力相对抗的内力使固体保持原状。此时在单位面积上存在的内力称为内应力 （stress）。对于外部应力而产生

4、的固体的变形，当去除其应力时恢复原状的性质称为弹性 （elasticity）。把这种可逆性变形称为弹性变形（elastic deformation）,而非可逆性变形称为塑 形变形（plastic deformation）。 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 的物质我们称之为粘弹性物质。 1.2 剪切应力与剪切速度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可以将流动着的液体视为由若干互相平行移动的液层所组成的， 液层之间没有物质交换，这种流动方式叫层流，如图 1。由于

5、各层的速度不同，便形成速度梯 度 dv/dh，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，使各液层间产生相对 运动的外力叫剪切力，在单位液层面积（A）上所需施加的这种力称为剪切应力，简称剪切力 （Shear Stress），单位为 Nm-2，即 Pa，以 表示。剪切速度（Shear Rate），单位为 s-1， 以表示。剪切速率与剪切应力是表征体系流变性质的两个基本参数。 1.3 粘度粘度 粘度是反应物质流动时内摩擦大小的物理量；根据测量方法的不同，粘度通常有多种表 示方法，比如我们最常用的动力学粘度和运动粘度，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。 1.4 流

6、体的分类流体的分类 根据流动和变形形式不同，将流体物质分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。 图 1 流体流动时形成的速度梯度 流变学测量方法简介 奥地利安东帕有限公司 (Anton Paar GmbH) www.anton- 1.4.1. 牛顿流体牛顿流体 实验证明，纯液体和多数低分子溶液在层流条件下的剪切应力 与剪切速率成正比，下式 为牛顿粘性定律（Newtonian equation），遵循该法则的液体为牛顿流体（Newtonian fluid）。 /FA 或 (1) 式中，F：A 面积上施加的力；：粘度（viscosity）或粘度系数（visco

7、sity coefficient），是表 示流体粘性的物理常数。SI 单位中粘度用 Pas 表示；常用单位还有 mPas、P（泊）、cP（厘 泊），其中 1P=0.1Pas，1cP=1mPas。 根据公式可知牛顿液体的剪切速率与剪切应力 之间关系，如图 2 所示，呈直线关系，且 直线经过原点。这时直线的斜率表示粘度，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。 表 1 20条件下几种牛顿流体的绝对粘度 液 体 粘 度/mPas 蓖麻油 1000 氯 仿 0.563 乙 醇 1.19 甘 油 400 橄榄油 100 水 1.0050 1.4.2 非牛顿流动非牛顿流动 实际上大

8、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，因此称之为非牛顿流体（non-Newtonian fluid），此种物质的流动现象称为非牛顿流动（non-Newtonian flow）。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 随剪切速率的变化作图可得，如图 3 和图 4 中所示 的流动曲线（flow curve）或粘度曲线(viscosity curve)。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。 1.4.2.1 塑性流动塑性流动 塑性流动（plastic flow）的

9、流动曲线如图 14-7（b）所示，曲线不经过原点，在剪切应力 轴上的某处有交点，将曲线外延至=0，在 轴上某一点可以屈服值（yield value）。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 图 2 牛顿流体的流动曲线和粘度曲线 流变学测量方法简介 奥地利安东帕有限公司 (Anton Paar GmbH) www.anton- 增加至屈服值时，液体开始流动，剪切速率和剪切应力 呈直线关系。液体的这种变形称为塑 性流动。引起液体流动的最低剪切应力为屈服值0。 1.4.2.2 假塑性流动（假塑性流体）假塑性流动（假塑性流体） 假塑性流动（Pseu

10、doplastic flow）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，具有这种性质的流体称为假塑性流体或 剪切稀化（shear thinning）型流体。 绝大多数粘弹性流体都属于假塑性流体，如聚合物溶液、聚合物熔体、油漆、涂料等等， 当原油在凝点以下，以及稠油都会表现出一定的假塑性。 1.4.2.3 胀性流动（胀塑性流体）胀性流动（胀塑性流体） 胀性流动曲线如图 4 中的 3 号样品所示，曲线经过原点，且随着剪切应力的增大其粘性也 随之增大，虽然这种流体不如假塑性流体常见，然而胀塑性流体常可由存在有不会聚集固体的 流体中看到，

11、如泥浆、糖果合成物、玉米淀粉类与水的混合物以及沙/水混合物。此类流体的行 为也可称为剪切增稠（shear thickening）。 1.5 影响材料流变学性质的因素影响材料流变学性质的因素 粘度的数据通常具有“透视（window through）”的功能，材料的其余性质可以经由粘度获 得。由于粘度比其它性质更容易测量，因此粘度可以作为判别材料特性的工具。在这章的前半 段，我们讨论了不同型式的流变行为及判断它们的方法，由材料流变性质的判定，你可能会想 了解这些信息暗示了材料的哪些特性。 图 3 具有屈服应力流体的流动曲线 图 4 牛顿流体(1)、假塑性流体(2)、胀塑性流体(3)的流动曲线和粘度

12、曲线 流变学测量方法简介 奥地利安东帕有限公司 (Anton Paar GmbH) www.anton- 1.5.1 温度温度 温度可能影响材料流变性能的首要因素。一些材料对于温度非常敏感，会造成粘度发生很 大的变化；另外一些材料则对温度具有较小的敏感性，粘度受温度的影响较小。温度效应对粘 度的影响在材料使用及生产中是必须考虑的基本问题，此类材料如机油、油脂和热融性粘合剂 等。 1.5.2 剪切速率剪切速率 对于非牛顿流体，剪切速率是影响样品性能的最重要因素之一。例如若将剪切增稠性流体 输入泵送系统中，如果设计的技术性能不合适，那么就可能会造成系统的异常终止，甚至会损 坏设备。虽然这是一个极端

13、的例子，然而剪切速率对于生产系统的影响是不可忽视的。 当材料必须在不同的剪速下使用时，先了解操作剪速下的粘度行为是基本的，如果你不了 解这些行为，至少需先做估计，粘度应该要在预估的剪切速率值与实际值相近下测量才有意 义。 测量粘度时，若剪切速率的范围在粘度计测量范围以外时，就必须测量不同剪切速率下的 粘度值，再以外推方式得到操作剪速下的粘度值。这虽然不是最精准的方法，但确是获得粘度 信息的唯一替代方法，特别是当欲实现的剪切速率特别高时。事实上，在多个不同剪切速率下 进行粘度的测量，以观察使用上的流变行为才是适当的。如果不知道样品剪速值或剪速不重要 时，以转速作图也是可以的。 材料在生产或使用上

14、会受到剪速影响的例子有：油漆、化妆品、乳液、涂布、一些食品和 血液等，下表为流体在不同剪速范围下的典型例子： 状况 典型的剪速范围（s-1）应用 悬浮溶液中沉淀的微细粒子 10-6-10-4药品，油漆 表面张力造成的液面流平现象 10-2-10-1油漆，印刷墨水 重力影响下的流挂现象 10-1-101油漆，涂布，厕所的漂白剂 挤出机 100-102高分子加工 咀嚼和吞咽 101-102食物口感 浸入式涂布 101-102油漆，糖果制造 混合和搅拌 101-103流体产品的生产 管路输送 100-103打气，血液流动 喷雾和刷涂 103-104喷雾干燥，油漆，燃料雾化 摩擦 104-105乳脂的

15、应用及化妆水在皮肤上的行为 在流体中研磨染料 103-105 油漆，印刷墨水 高速涂布 105-106造纸 润滑 103-107石油工业 1.5.3 时间时间 在剪切的环境下，时间明显地影响材料的触变性质和流变性质，但是就算样品不受剪力影 响，其粘度仍会随着时间而改变，因此在选择与准备样品作粘度测量时，时间的效应是必须考 虑的，此外，当样品在测试过程中产生化学反应时，材料的粘度也会有所变化，因此在反应过 程中某一时间所测的粘度与另一时间所做的结果会有所不同。 1.5.4 压力压力 压力影响并不如其它因素般常见，但压力的变化可能会造成：分解气体产生气泡、扩散或 流变学测量方法简介 奥地利安东帕有限公司 (Anton Paar GmbH)