高分子材料流变学简介——流体的分类

剪切速率与剪切应力时表征体系流变性质的两个基本参数。

在流速不太快时，可以将流动的液体视为由若干相互平行移动的液层所组成，液层之间没有物质交换，这种流动方式叫层流。由于各层的速度不同，便形成速度梯度dv/dh，或称为剪切速率γ。单位s-1。

流动速度较慢的液层会阻滞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，在单位液层面积上所需施加的这种力称为剪切应力τ。单位N·m-2，即Pa。

 

 

粘度η是反应物质流动时内摩擦大小的物理量。粘度有多种表示方法，例如动力学粘度、运动粘度。

 

流体的分类

根据流动和变形形式不同，将流体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。在高分子液体范畴内，可以粗略地把非牛顿流体分为纯粘性流体、粘弹性流体、有时间依赖性的流体等。大多数高分子熔体、高分子溶液是非线性粘弹性流体。触变性流体、震凝性流体则属于流动性质有时间依赖性的体系。

 

1、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 τ 与剪切速率γ成正比，下式为牛顿粘性定律，遵循该法则的液体为牛顿流体。

 

根据公式可知牛顿液体的剪切速率与剪切应力τ 之间呈直线关系，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，只要温度一定，粘度就一定。

 

2、塑性流体

塑性流体（Bingham塑性体）的流动曲线不经过原点，在剪切应力τ轴上的某处有交点，将曲线外延至0，在τ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。当剪切应力增加至屈服值时，液体开始流动，剪切速率和剪切应力τ呈直线关系。液体的这种变形称为塑性流动（plastic flow）。引起液体流动的最低剪切应力为屈服值τ0。

 

 

有些Bingham塑性体，在外应力超过屈服应力开始流动后，流动规律遵循牛顿粘度定律，被称为普通Bingham流体。其粘度被称为塑性粘度。另一些Bingham塑性体，一旦开始流动后，流动行为并不遵循牛顿粘度定律，其剪切粘度随剪切速率发生变化，被称为非线性Bingham流体。

牙膏、油漆是典型的塑性流体。牙膏的特点是不挤不流，只有外力大到足以克服屈服应力时，才开始流出。油漆在涂刷过程中，要求涂刷使粘度要小，停止涂刷时要不出现流挂，因此要求其屈服应力足够大到可以克服重力对流动的影响。

 

3、假塑性流体

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。

 

 

典型的假塑性流体的流动曲线中分为三个区域：当剪切速率接近0时，流体流动性质与牛顿型流体相似，粘度趋于常数，称为零剪切粘度η0。这一区域称为线性流动区，或第一牛顿区。零剪切粘度是物料的一个重要材料常数，与材料的平均分子量、粘流活化能相关，是材料最大松弛时间的反映。

当剪切速率超过某个临界剪切速率后，材料流动性质出现剪切变稀行为，这个区域是高分子材料加工的典型流动区。这时曲线上一点的切线与纵坐标的交点类似塑性流体的屈服点，故称为假塑性区域，或非牛顿流动区，或剪切变稀区域。

当剪切速率非常高，剪切速率又会趋于另一个定值，称为无穷剪切粘度，该区域被称为第二牛顿区。实际上这一区域很难达到，因为在此之前，流动已经变得极不稳定，甚至被破坏。

 

4、胀流性流体

胀流性流体的主要特征是剪切速率很低时，流动行为类似牛顿流体；剪切速率超过某一个临界值后，剪切粘度随剪切速率增大而增大，呈剪切变稠效应，研究发现，发生剪切变稠时，流体表观“体积”略有膨胀，故称为胀流性流体。

 

 

大多数胀流性流体为多相混合体系，其中固体物含量较多，且侵润性不好，当发生剪切变稠时，流体内多形成新的结构。以泥沙的胀流性行为来理解：通常状态下，不规则的泥沙颗粒紧密堆砌，颗粒间有一定间隙，其中充有流体，起润滑剂作用。当收到外力作用，原来的紧密堆砌结构被破坏，形成新的结构。不规则的泥沙颗粒因“位错”而是空隙变大，体系“膨胀”。原有对固体粒子流动起润滑作用的流体渗入下方的空隙中，使上部的流体显得不足，从而使流动更加困难，“粘度”增大。