（一）、流變學(xué)基本概念

1.1 流變學(xué)研究的內(nèi)容

流變學(xué) —Rheology ，來(lái)源于希臘的 Rheos=Sream （流動(dòng)）詞語(yǔ)，是 Bingham 和Crawford 為了表示液體的流動(dòng)和固體的變形現(xiàn)象而提出來(lái)的概念。流變學(xué)主要是研究物質(zhì)的流動(dòng)和變形的一門(mén)科學(xué)。

流動(dòng)是液體和氣體的主要性質(zhì)之一，流動(dòng)的難易程度與流體本身的粘性（viscosity）有關(guān)，因此流動(dòng)也可視為一種非可逆性變形過(guò)程。

變形是固體的主要性質(zhì)之一，對(duì)某一物體外加壓力時(shí)，其內(nèi)部各部分的形狀和體積發(fā)生變化，即所謂的變形。對(duì)固體施加外力，固體內(nèi)部存在一種與外力相對(duì)抗的內(nèi)力使固體保持原狀。此時(shí)在單位面積上存在的內(nèi)力稱(chēng)為內(nèi)應(yīng)力（stress）。對(duì)于外部應(yīng)力而產(chǎn)生的固體的變形，當(dāng)去除其應(yīng)力時(shí)恢復(fù)原狀的性質(zhì)稱(chēng)為彈性（elasticity）。把這種可逆性變形稱(chēng)為彈性變形（elastic deformation）,而非可逆性變形稱(chēng)為塑形變形（plastic deformation）。

實(shí)際上，多數(shù)物質(zhì)對(duì)外力表現(xiàn)為彈性和粘性雙重特性，我們稱(chēng)之為粘彈性，具有這種特性的物質(zhì)我們稱(chēng)之為粘彈性物質(zhì)。

1.2 剪切應(yīng)力與剪切速度

觀察河道中流水，水流方向一致，但水流速度不同，中心處的水流最快，越靠近河岸的水流越慢。因此在流速不太快時(shí)可以將流動(dòng)著的液體視為由若干互相平行移動(dòng)的液層所組成的，液層之間沒(méi)有物質(zhì)交換，這種流動(dòng)方式叫層流，如圖 1。由于各層的速度不同，便形成速度梯度 dv/dh，或稱(chēng)剪切速率。流動(dòng)較慢的液層阻滯著流動(dòng)較快液層的運(yùn)動(dòng)，使各液層間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的外力叫剪切力，在單位液層面積（A）上所需施加的這種力稱(chēng)為剪切應(yīng)力，簡(jiǎn)稱(chēng)剪切力（Shear Stress），單位為 N·m-2，即 Pa，以 τ 表示。剪切速度（Shear Rate），單位為 s-1，以表示。剪切速率與剪切應(yīng)力是表征體系流變性質(zhì)的兩個(gè)基本參數(shù)。

1.3 粘度

粘度是反應(yīng)物質(zhì)流動(dòng)時(shí)內(nèi)摩擦大小的物理量；根據(jù)測(cè)量方法的不同，粘度通常有多種表示方法，比如我們最常用的動(dòng)力學(xué)粘度和運(yùn)動(dòng)粘度，以及一些特定的相對(duì)粘度測(cè)定方法，如流杯、稠度計(jì)、恩氏粘度等等。

1.4 流體的分類(lèi)

根據(jù)流動(dòng)和變形形式不同，將流體物質(zhì)分為牛頓流體和非牛頓流體。牛頓流體遵循牛頓流動(dòng)法則，非牛頓流體不遵循該法則。

1.4.1. 牛頓流體

實(shí)驗(yàn)證明，純液體和多數(shù)低分子溶液在層流條件下的剪切應(yīng)力 τ 與剪切速率成正比，下式為牛頓粘性定律（Newtonian equation），遵循該法則的液體為牛頓流體（Newtonian fluid）。

t =η × F/A 或 t = η × y′ (1)

式中，F(xiàn)：A 面積上施加的力；η：粘度（viscosity）或粘度系數(shù)（viscosity coefficient），是表示流體粘性的物理常數(shù)。SI 單位中粘度用 Pas 表示；常用單位還有 mPas、P（泊）、cP（厘泊），其中 1P=0.1Pas，1cP=1mPas。根據(jù)公式可知牛頓液體的剪切速率與剪切應(yīng)力 τ 之間關(guān)系，如圖 2 所示，呈直線(xiàn)關(guān)系，且直線(xiàn)經(jīng)過(guò)原點(diǎn)。這時(shí)直線(xiàn)的斜率表示粘度，粘度與剪切速度無(wú)關(guān)，而且是可逆過(guò)程，只要溫度一定，粘度就一定。

1.4.2 非牛頓流動(dòng)

實(shí)際上大多數(shù)液體不符合牛頓定律，如高分子溶液、膠體溶液、乳劑、混懸劑、軟膏以及固-液的不均勻體系的流動(dòng)均不遵循牛頓定律，因此稱(chēng)之為非牛頓流體（non-Newtonian fluid），此種物質(zhì)的流動(dòng)現(xiàn)象稱(chēng)為非牛頓流動(dòng)（non-Newtonian flow）。對(duì)于非牛頓流體可以用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)定其粘度，對(duì)其剪切應(yīng)力 τ 隨剪切速率的變化作圖可得，如圖 3 和圖 4 中所示的流動(dòng)曲線(xiàn)（flow curve）或粘度曲線(xiàn)(viscosity curve)。根據(jù)非牛頓流體流動(dòng)曲線(xiàn)的類(lèi)型把非牛頓流動(dòng)分為塑性流動(dòng)、假塑性流動(dòng)和脹性流動(dòng)三種

1.4.2.1 塑性流動(dòng)

塑性流動(dòng)（plastic flow）的流動(dòng)曲線(xiàn)如圖 14-7（b）所示，曲線(xiàn)不經(jīng)過(guò)原點(diǎn)，在剪切應(yīng)力 τ軸上的某處有交點(diǎn)，將曲線(xiàn)外延至=0，在 τ 軸上某一點(diǎn)可以屈服值（yield value）。當(dāng)剪切應(yīng)力達(dá)不到屈服值以上時(shí)，液體在剪切應(yīng)力作用下不發(fā)生流動(dòng)，而表現(xiàn)為彈性變形。當(dāng)剪切應(yīng)力增加至屈服值時(shí)，液體開(kāi)始流動(dòng)，剪切速率和剪切應(yīng)力 τ 呈直線(xiàn)關(guān)系。液體的這種變形稱(chēng)為塑性流動(dòng)。引起液體流動(dòng)的最低剪切應(yīng)力為屈服值 τ0。

1.4.2.2 假塑性流動(dòng)（假塑性流體）

假塑性流動(dòng)（Pseudoplastic flow）的流動(dòng)曲線(xiàn)和粘度曲線(xiàn)如圖 4 中的 2 號(hào)樣品所示。隨著剪切速率值的增大而粘度下降的流動(dòng)稱(chēng)為假塑性流動(dòng)，具有這種性質(zhì)的流體稱(chēng)為假塑性流體或剪切稀化（shear thinning）型流體。

絕大多數(shù)粘彈性流體都屬于假塑性流體，如聚合物溶液、聚合物熔體、油漆、涂料等等，當(dāng)原油在凝點(diǎn)以下，以及稠油都會(huì)表現(xiàn)出一定的假塑性。

1.4.2.3 脹性流動(dòng)（脹塑性流體）

脹性流動(dòng)曲線(xiàn)如圖 4 中的 3 號(hào)樣品所示，曲線(xiàn)經(jīng)過(guò)原點(diǎn)，且隨著剪切應(yīng)力的增大其粘性也隨之增大，雖然這種流體不如假塑性流體常見(jiàn)，然而脹塑性流體?？捎纱嬖谟胁粫?huì)聚集固體的流體中看到，如泥漿、糖果合成物、玉米淀粉類(lèi)與水的混合物以及沙/水混合物。此類(lèi)流體的行為也可稱(chēng)為剪切增稠（shear thickening）。

1.5 影響材料流變學(xué)性質(zhì)的因素

粘度的數(shù)據(jù)通常具有“透視（window through）”的功能，材料的其余性質(zhì)可以經(jīng)由粘度獲得。由于粘度比其它性質(zhì)更容易測(cè)量，因此粘度可以作為判別材料特性的工具。在這章的前半段，我們討論了不同型式的流變行為及判斷它們的方法，由材料流變性質(zhì)的判定，你可能會(huì)想了解這些信息暗示了材料的哪些特性。

1.5.1 溫度

溫度可能影響材料流變性能的首要因素。一些材料對(duì)于溫度非常敏感，會(huì)造成粘度發(fā)生很大的變化；另外一些材料則對(duì)溫度具有較小的敏感性，粘度受溫度的影響較小。溫度效應(yīng)對(duì)粘度的影響在材料使用及生產(chǎn)中是必須考慮的基本問(wèn)題，此類(lèi)材料如機(jī)油、油脂和熱融性粘合劑等。

1.5.2 剪切速率

對(duì)于非牛頓流體，剪切速率是影響樣品性能的最重要因素之一。例如若將剪切增稠性流體輸入泵送系統(tǒng)中，如果設(shè)計(jì)的技術(shù)性能不合適，那么就可能會(huì)造成系統(tǒng)的異常終止，甚至?xí)p壞設(shè)備。雖然這是一個(gè)極端的例子，然而剪切速率對(duì)于生產(chǎn)系統(tǒng)的影響是不可忽視的。

當(dāng)材料必須在不同的剪速下使用時(shí)，先了解操作剪速下的粘度行為是基本的，如果你不了解這些行為，至少需先做估計(jì)，粘度應(yīng)該要在預(yù)估的剪切速率值與實(shí)際值相近下測(cè)量才有意義。

測(cè)量粘度時(shí)，若剪切速率的范圍在粘度計(jì)測(cè)量范圍以外時(shí)，就必須測(cè)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。這雖然不是最精準(zhǔn)的方法，但確是獲得粘度信息的唯一替代方法，特別是當(dāng)欲實(shí)現(xiàn)的剪切速率特別高時(shí)。事實(shí)上，在多個(gè)不同剪切速率下進(jìn)行粘度的測(cè)量，以觀察使用上的流變行為才是適當(dāng)?shù)?。如果不知道樣品剪速值或剪速不重要時(shí)，以轉(zhuǎn)速作圖也是可以的。

材料在生產(chǎn)或使用上會(huì)受到剪速影響的例子有：油漆、化妝品、乳液、涂布、一些食品和血液等，下表為流體在不同剪速范圍下的典型例子：

狀況 典型的剪速范圍（s-1） 應(yīng)用

懸浮溶液中沉淀的微細(xì)粒子 10-6-10-4 藥品，油漆

表面張力造成的液面流平現(xiàn)象 10-2-10-1 油漆，印刷墨水

重力影響下的流掛現(xiàn)象 10-1-101 油漆，涂布，廁所的漂白劑

擠出機(jī) 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

混合和攪拌 101 -103 流體產(chǎn)品的生產(chǎn)

管路輸送 100 -103 打氣，血液流動(dòng)

噴霧和刷涂 103 -104 噴霧干燥，油漆，燃料霧化

摩擦 104 -105 乳脂的應(yīng)用及化妝水在皮膚上的行為

在流體中研磨染料 103-105 油漆，印刷墨水

高速涂布 105-106 造紙

潤(rùn)滑 103-107 石油工業(yè)

1.5.3 時(shí)間

在剪切的環(huán)境下，時(shí)間明顯地影響材料的觸變性質(zhì)和流變性質(zhì)，但是就算樣品不受剪力影響，其粘度仍會(huì)隨著時(shí)間而改變，因此在選擇與準(zhǔn)備樣品作粘度測(cè)量時(shí)，時(shí)間的效應(yīng)是必須考慮的，此外，當(dāng)樣品在測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，材料的粘度也會(huì)有所變化，因此在反應(yīng)過(guò)程中某一時(shí)間所測(cè)的粘度與另一時(shí)間所做的結(jié)果會(huì)有所不同。

1.5.4 壓力

壓力影響并不如其它因素般常見(jiàn)，但壓力的變化可能會(huì)造成：分解氣體產(chǎn)生氣泡、擴(kuò)散或氣體的進(jìn)入造成體積的改變和紊流現(xiàn)象、壓縮流體，增加分子內(nèi)的阻力，亦即增加壓力會(huì)增加粘度。在高壓下，液體會(huì)受到壓力壓縮的影響，此現(xiàn)象與氣體相同，雖然程度上較小，如下述例子：高濃度的泥漿（粒子體積約占 70-80%以上），其中不含有足夠的液體，使液體不能完全進(jìn)入粒子間的空隙中，導(dǎo)致了三相系的形成（即固體、液體和氣體）。由于氣體的存在，混合物可壓縮，亦即壓力越大，流動(dòng)的阻力愈大。

1.5.5 前處理

在測(cè)量樣品粘度前，前處理可能會(huì)影響粘度測(cè)量的結(jié)果，特別是流體會(huì)受到熱或時(shí)間的影響，亦即樣品保存狀況和樣品準(zhǔn)備技術(shù)必須設(shè)計(jì)將影響粘度效應(yīng)的因素減至最低，特別是觸變性材料會(huì)受到準(zhǔn)備工作的影響，如攪拌、混合、傾倒、或是其它可能使樣品產(chǎn)生剪切的動(dòng)作。

1.5.6 組成和添加物

材料的組成是影響粘度的重要因素，當(dāng)樣品組成發(fā)生改變后，不管是組成物質(zhì)的比率或其它物質(zhì)的添加，粘度的改變都是可能的。