高分子材料流变学简介——流体的分类

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发布时间:2021-08-06
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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。

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