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4.1流變學(xué)的介紹 Webster’s Dictionary定義流變學(xué)為 ”材料的流動(dòng)與形變的研究，其中包含彈性，黏度，和塑性。” 在這章中，我們定義黏度為 “流體分子的吸引力所引起的內(nèi)在摩擦力，此摩擦力會(huì)抵抗流體的流動(dòng)。” 你的Brookfield黏度計(jì)測(cè)量此摩擦力，然后作為研究流變學(xué)的工具。此章的目的是要使你了解不同形式的流動(dòng)行為以及使用Brookfield黏度計(jì)作為研究流變行為的儀器以幫助你處理任何真實(shí)流體的分析。這項(xiàng)信息對(duì)于黏度計(jì)的使用者提供相當(dāng)?shù)膸椭貏e是對(duì)于以黏度測(cè)量作為理論和學(xué)術(shù)方面探討的研究者而言。 4.2黏度 黏度是測(cè)量流體內(nèi)在摩擦力的所獲得的數(shù)值。當(dāng)某一層流體的移動(dòng)會(huì)受到另一層流體移動(dòng)的影響時(shí)，此摩擦力顯得極為重要。摩擦力愈大，我們就必須施予更大的力量以造成流體的移動(dòng)，此力量即稱為 ”剪切（shear）”。剪切發(fā)生的條件為當(dāng)流體發(fā)生物理性地移動(dòng)或分散，如傾倒、散布、噴霧、混合等等。高黏度的流體比低黏度的材料需要更大的力量才能造成流體的流動(dòng)。 牛頓以圖4-1的模式來(lái)定義流體的黏度。兩不同平面但平行的流體，擁有相同的面積”A”，相隔距離”dx”，且以不同流速”V1”和”V2”往相同方向流動(dòng)，牛頓假設(shè)保持此不同流速的力量正比于流體的相對(duì)速度或速度梯度，即： F/A ＝ ηdv/dx 其中η與材料性質(zhì)有關(guān)，我們稱為”黏度”。 速度梯度，dv/dx，為測(cè)量中間層的相對(duì)速度，其描述出液體所受到的剪切，我們將它稱為”剪速（shear rate）”，以S表示；其單位為時(shí)間倒數(shù)（sec-1）。 F/A項(xiàng)代表了單位面積下，剪切所造成的合力，稱為”剪力（shear stress）”，以F代表；其單位為”達(dá)因每平方公分（dyne/cm2）”。 使用這些符號(hào)，黏度計(jì)可以下列數(shù)學(xué)式定義： η＝黏度＝F/S＝剪力/剪速 黏度的基本單位為 ”poise”。我們定義一材料在剪力為1達(dá)因每平方公分、剪速為1 sec-1下的黏度為100 poise。測(cè)量黏度時(shí)，你可能會(huì)遭遇到黏度的單位為 “Pa˙s” 或 “mPa˙s” 的情況，此為標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，且有時(shí)較被公制命名所接受。1 Pa˙s等于10 poise；1 mPa˙s等于1 cp。 牛頓假設(shè)所有的材料在固定溫度下，黏度與剪速是沒(méi)有相關(guān)的，亦即兩倍的力量可以幫助流體移動(dòng)兩倍的速度。 就我們所知，牛頓的假設(shè)只有部分是正確的。 4.3牛頓流體 牛頓稱具有此形式流動(dòng)行為的所有流體，皆稱為”牛頓（Newtonian）”，然而這只是你可能遭遇到的流體中的其中一種而已。牛頓流體的特性可參考圖4-2；圖A顯示剪力（F）和剪速（S）之間為線性關(guān)系；圖B顯示在不同剪速下，黏度皆保持一定。典型的牛頓流體為水與稀薄的機(jī)油。 上述代表的意義即為在固定溫度下，不論你所使用的黏度計(jì)型號(hào)、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)速為何，牛頓流體的黏度皆保持一定。標(biāo)準(zhǔn)Brookfield黏度值為以Brookfield儀器在某一剪速范圍內(nèi)所測(cè)之值，這就是為什么牛頓流體可以在所有我們的黏度計(jì)型號(hào)下操作。牛頓流體明顯地為zui容易測(cè)量的流體－只要拿出你的黏度計(jì)并操作它即可。不幸的是，更常見且更復(fù)雜的流體－非牛頓流體，我們將在下一節(jié)中介紹。 4.4非牛頓流體 非牛頓流體概略的定義為F/S的關(guān)系不為常數(shù)，亦即當(dāng)施予不同的剪速，剪力并不隨著相同比例變化（或甚至同一方向）。這些流體的黏度會(huì)受到不同剪速的影響，同時(shí)，不同型號(hào)黏度計(jì)的設(shè)定參數(shù)、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)速都會(huì)影響到非牛頓流體的黏度值。此測(cè)量的黏度值稱為流體的”表觀黏度（apparent viscosity）”，其值為正確的只有當(dāng)實(shí)驗(yàn)的參數(shù)值被正確的設(shè)定且的測(cè)得。 非牛頓流體流動(dòng)可以想象成流體為不同形狀和大小的分子所組成，當(dāng)它們流經(jīng)彼此，亦即流動(dòng)發(fā)生時(shí)，需要多少力量才能移動(dòng)它們將取決于它們的大小、形狀及黏著性。在不同的剪速下，排列的方式將會(huì)不同，而且需要更多或更少的合力才能保持運(yùn)動(dòng)。 辨別不同非牛頓流體的行為，可由剪速的差異得到流體黏度的變化，常見非牛頓流體的形式包括： 擬塑性的（pseudoplastic）：此形式流體的特性為當(dāng)剪速增加時(shí)，會(huì)伴隨著流速的減少，如圖4-3，其可能為zui常見的非牛頓流體。擬塑性流體包括油漆、乳液和各種不同形式的流體。此類流體的行為有時(shí)候可稱為”shear thinning”。 膨脹性的（diltant）：膨脹性的流體其特性為流速隨著剪速的增加而增加，如圖4-4。雖然膨脹性流體不如擬塑性流體常見，然而膨脹性流體?？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、玉米淀粉類與水的混合物以及沙/水混合物。此類流體的行為也可稱為”shear thickening”。 塑性的（plastic）：此類流體的行為就如同固體處在靜電的環(huán)境中。在流體流動(dòng)前，我們就必須先施予流體某一力量，此力量稱為“屈服力（yield value）”。此類流體典型的例子為蕃茄醬，其產(chǎn)值造成蕃茄醬無(wú)法直接從罐子中倒出，除非我們先搖動(dòng)或敲擊。當(dāng)產(chǎn)值超過(guò)上限值時(shí)，流體開始流動(dòng)。塑性流體包含有牛頓流體、擬塑性流體、膨脹性流體的特性，如圖4-5所示。 到目前為止我們只有討論非牛頓流體剪速的效應(yīng)，當(dāng)我們同時(shí)考慮時(shí)間效應(yīng)時(shí)，有會(huì)有什么問(wèn)題發(fā)生此問(wèn)題使得我們必須討論其它兩類非牛頓流體：”搖變性的（thixotropic）” 和 “流變性的（rheopectic）”。 4.5搖變性和流變性 一些流體在相同剪速下放置一段時(shí)間，其黏度會(huì)隨著時(shí)間有所變化，具有此現(xiàn)象的流體可分為兩類： 搖變性：如圖4-6所示，搖變性流體在相同剪力下，其黏度會(huì)隨著時(shí)間的增加而下降。 流變性：此性質(zhì)與搖變性質(zhì)正好相反，此類流體在相同剪速下，其黏度會(huì)隨著時(shí)間的增加而增加，如圖4-7所示。 在流體中，搖變性與流變性質(zhì)有可能與先前提到的流體行為同時(shí)發(fā)生，或發(fā)生在某些特定的剪速下。時(shí)間對(duì)于流體的影響變異極大；在相同的剪速下，一些流體達(dá)到其終端速度可能約幾秒鐘，而有些可能就必須幾天的時(shí)間。 具有流變性質(zhì)的流體并不常遇到，然而具有流變性質(zhì)的流體則常可從油脂、印刷染料、油漆中看到。 當(dāng)我們改變搖變性質(zhì)流體的剪速時(shí)，其行為如圖4-8所示。在剪力對(duì)剪速的作圖中，剪速會(huì)先增加至某一數(shù)值，然后立刻下降至起始點(diǎn)。注意”上升”與”下降”曲線并不為同一條。此”磁滯循環(huán)（hysteresis loop）”為流體流速的減小伴隨著剪切時(shí)間的增加所造成，此效應(yīng)可能或不可能為可逆的；一些搖變性流體如果允許一段時(shí)間的不擾動(dòng)，將能回到其初始速度，然而一些流體則否。 當(dāng)然，具有流變性質(zhì)的流體在黏度測(cè)量技術(shù)上具有很深遠(yuǎn)的影響，在4-7節(jié)中我們將討論這些效應(yīng)，及處理這些效應(yīng)的方法。第五章中將介紹以先進(jìn)的數(shù)學(xué)技巧分析不同狀況下的流體行為，然而，我們將先討論層流（laminar）和紊流（turbulent）對(duì)于黏度測(cè)量的影響。 4.6層流和紊流 黏度的定義暗示了”層流”的存在：流體流動(dòng)時(shí)，每一層間不存在有物質(zhì)的傳送，黏度的行為即為這些層間的摩擦力。 基于很多因素下，有些流體在zui大流速時(shí)，每一層流體間會(huì)受到另一層流體移動(dòng)的影響，同時(shí)質(zhì)量傳送亦會(huì)發(fā)生，此稱為”紊流”。在此過(guò)程中，分子或更大的粒子從某一層跳躍至另一層，并不斷的釋放能量。此現(xiàn)象的結(jié)果即在同一速度下，紊流必須比層流輸入更多的能量，才能繼續(xù)保有此一現(xiàn)象。 在與層流相同的剪速下，此額外輸入的能量，可以經(jīng)由明顯變大的剪力觀察出來(lái)，此結(jié)果會(huì)導(dǎo)致得到較高速度的讀數(shù)。 由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞯呐R界點(diǎn)受到很多因素影響，除了造成流體流動(dòng)的流速以外。材料的流速、比重、黏度計(jì)轉(zhuǎn)子的形狀和樣品槽都會(huì)影響此臨界點(diǎn)。 分辨紊流和膨脹性流體的行為需要非常小心（參照4.4節(jié)）。通常具有膨脹性質(zhì)的材料，其黏度會(huì)隨著剪速的增加而持續(xù)地增加；紊流的特性則為在特定剪速下，黏度會(huì)突然且不間斷地增加。在臨界點(diǎn)以下時(shí)，材料的流動(dòng)行為可能為牛頓或非牛頓行為。 由于大部分Brookfield黏度計(jì)是在相對(duì)上較低剪速下操作，因此你基本上不太可能遭遇到紊流的情況，除非你使用LV系列黏度計(jì)測(cè)量黏度流體黏度小于15cp，或其余型號(hào)的黏度計(jì)測(cè)量黏度低于85cp。流體的黏度愈高，愈不可能有紊流的情況發(fā)生。如果測(cè)量低黏度流體時(shí)發(fā)生紊流的現(xiàn)象，可以使用附屬的超低黏度接頭消除紊流現(xiàn)象（參照2.1.5節(jié)）。 4.7什么因素影響流變性質(zhì)？ 黏度的數(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)由黏度獲得。由于黏度比其它性質(zhì)更容易測(cè)量，因此黏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，經(jīng)由材料流變性質(zhì)的判定，你可能會(huì)想了解這項(xiàng)信息暗示了材料的哪些特性。在這一節(jié)中，我們搜集了多年來(lái)顧客使用黏度計(jì)所遇到”難題”的經(jīng)驗(yàn)，并讓你知道你的黏度計(jì)是如何神奇地幫助你解決這些問(wèn)題。 4.7.1溫度 zui有可能影響材料流變行為的其中一種因素為溫度。一些材料對(duì)于溫度非常敏感，且對(duì)于黏度變化會(huì)出現(xiàn)相對(duì)較小的變異；另外一些材料則對(duì)于溫度具有較小的敏感性。溫度效應(yīng)對(duì)于黏度的影響在材料材料使用及制程上的判別上是基本的，此類材料如機(jī)油、油脂和熱融性黏著劑。 4.7.2剪率 非牛頓流體傾向?yàn)橐粋€(gè)規(guī)則，而不是真實(shí)世界之外的例子，且其提供了研究流變學(xué)應(yīng)用的人們對(duì)于剪率效應(yīng)的認(rèn)識(shí)。例如若將膨脹性流體輸入系統(tǒng)中，雖然其只是單單將固體打入泵中，但卻會(huì)對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)異常的終止。雖然這是一個(gè)的例子，然而剪率對(duì)于系統(tǒng)影響的重要性確實(shí)是不能被低估的。 當(dāng)材料必須在不同的剪率下使用時(shí)，先了解操作剪率下的黏度行為是基本的，如果你不了解這些行為，至少需先做估計(jì)，黏度測(cè)量應(yīng)該要在預(yù)估的剪速值與真實(shí)數(shù)值相近下操作才有意義。 測(cè)量黏度時(shí)，若剪率的范圍在黏度計(jì)以外時(shí)，此時(shí)是不可能大略測(cè)出剪率值的，在此情況下，我們就必須在不同剪率下測(cè)量黏度值，再以外插得到欲操作剪速下的黏率值。這雖然不為zui的方法，但確為獲得黏度信息的*替代方法，特別是當(dāng)欲操作剪率特別高時(shí)。事實(shí)上，在多個(gè)不同剪率下作黏度的測(cè)量以觀察程序或使用上的流變行為才是適當(dāng)?shù)摹Ｈ绻恢罉悠芳袈手祷蚣袈什恢匾獣r(shí)，以速度和轉(zhuǎn)速作圖即已足夠。 材料在制程或使用上會(huì)受到剪率影響的例子有：油漆、化妝品、乳液、涂布、一些食品和人類循環(huán)系統(tǒng)中的血液，下表為流體不同剪速下的典型例子： 狀況 典型的剪率范圍（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水平現(xiàn)象 10-2-10-1 油漆，印刷墨水重力影響下的排水現(xiàn)象 10-1-101 油漆，涂布，廁所的漂白劑擠出機(jī) 100-102 高分子咀嚼和吞咽 101-102 食物含浸涂布 101-102 油漆，糖果制造混合和攪拌 101-103 液體制造管路輸送 100-103 打氣，血液流動(dòng)噴霧和刷凈 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 紙潤(rùn)滑 103-107 石油工業(yè) 4.7.3測(cè)量狀況 材料在測(cè)量黏度時(shí)的狀況可以想見對(duì)于測(cè)量的結(jié)果會(huì)有影響，因此在作測(cè)試時(shí)，對(duì)于環(huán)境的控制與了解是非常重要的。*， 在3.3節(jié)中提到的黏度測(cè)量技術(shù)必須確實(shí)實(shí)行。測(cè)試的參數(shù)，包括黏度計(jì)型號(hào)、轉(zhuǎn)子/轉(zhuǎn)速的組合、樣品槽大小、有無(wú)腳架存在、樣品溫度、樣品制備技術(shù)等等，所有參數(shù)不止會(huì)影響到測(cè)量的準(zhǔn)確性，同時(shí)會(huì)影響你所測(cè)量材料的真實(shí)黏度。第二， 其余影響?zhàn)ざ容^不明顯的因素也要考慮到，例如對(duì)于壓力敏感的樣品，如牙齒模子材料，熔爐的氣流，熔渣，血液和黏液，這些材料在測(cè)試時(shí)的壓力控制是必須的。 另外一個(gè)可能影響?zhàn)ざ葴y(cè)量結(jié)果的因素樣品的均勻度。若能提高樣品的均勻度，則容易得到一致的結(jié)果，然而大部分的材料都有趨向分為非均勻?qū)拥男再|(zhì)，所以在你做攪拌或搖晃樣品的動(dòng)作時(shí)，小心不要太嚴(yán)重?cái)_動(dòng)樣品。 4.7.4時(shí)間 在剪切的環(huán)境下，時(shí)間明顯地影響材料的搖變性質(zhì)和流變性質(zhì)，但是就算樣品不受剪力影響，其黏度仍會(huì)隨著時(shí)間而改變，因此在選擇與準(zhǔn)備樣品作黏度測(cè)量時(shí)，時(shí)間的效應(yīng)是必須做考量的，此外，當(dāng)樣品在程序中有產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，材料的黏度也會(huì)有所變化，因此在反應(yīng)某一段時(shí)間所做的黏度測(cè)量與另依時(shí)間所做的結(jié)果會(huì)有所不同。 4.7.5壓力 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。壓力影響并不如其它參數(shù)般常見，其會(huì)壓縮流體，增加分子內(nèi)的阻力。在高壓下，液體會(huì)受到壓力壓縮所影響，此現(xiàn)象與氣體相同，然程度上較小，亦即增加壓力會(huì)增加黏度，如下述例子：高濃度的泥漿（粒子體積約占70-80%以上），其不含有足夠的液體，使液體不能*進(jìn)入粒子間的空隙中，導(dǎo)致了三相系的形成（即固體、液體和通常是空氣）。由于空氣的存在，混合物因此可壓縮，亦即你壓縮更多，流動(dòng)的阻力愈大。 4.7.6前處理 在樣品測(cè)量黏度前，前處理可能會(huì)影響?zhàn)ざ葴y(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?zhàn)ざ刃?yīng)的因素減至zui低，特別是搖變性材料會(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。 4.7.7組成和添加物 材料的組成是影響?zhàn)ざ鹊囊粋€(gè)參數(shù)，當(dāng)組成改變后，不管是組成物質(zhì)的比率或其它物質(zhì)的添加，黏度的改變都是可能的。 4.7.8 分散相及凝膠劑之特定特征 分散相及凝膠為在液相中散布有一種或多種固相的多相物質(zhì)，并可藉一系列的參數(shù)因子影響其流變性質(zhì)。此外有很多因子都已在先前探討過(guò)，具特征性質(zhì)的多相物質(zhì)亦為此類因子效應(yīng)之一，我們討論如下。 主要的特征性質(zhì)研究著重于物質(zhì)試樣的凝聚狀態(tài)。是否有粒子的出現(xiàn)使固相分離或區(qū)隔出來(lái)，或者它們凝聚變厚程度；多大的凝塊狀？又緊密及黏著程度如何？假若凝塊（如絮狀）于分散相中占有很大的體積，則黏度于此狀態(tài)下將趨向于比占據(jù)較小體積者為大。這是因?yàn)樵诜稚⑾嘀兴柘墓虘B(tài)物質(zhì)的力量變大。 當(dāng)如絮物質(zhì)在分散相中凝結(jié)時(shí)，凝結(jié)的應(yīng)力反應(yīng)導(dǎo)致了shear-thinning（凝塑性流體）而在較小的應(yīng)變時(shí)凝聚效應(yīng)可能發(fā)生變化，但它依然還是完整的狀態(tài)，當(dāng)應(yīng)變?cè)黾訒r(shí)聚集效應(yīng)可能被破壞而形成單獨(dú)的如絮物以降低摩擦和黏度（有關(guān)凝塑性流體的現(xiàn)象可參見第4.4節(jié)） 假設(shè)凝聚態(tài)的鍵結(jié)力量十分強(qiáng)大的話，那么系統(tǒng)有可能會(huì)顯現(xiàn)出“yield value“（參見第4.4節(jié)中關(guān)于塑性流體的部份），而這巨大的yield value來(lái)自于打斷這些鍵結(jié)所需的力量。 假若物質(zhì)的膠結(jié)結(jié)構(gòu)隨時(shí)間而遭外加應(yīng)力破壞的話，我們可以觀察到一個(gè)關(guān)于時(shí)間函數(shù)形態(tài)的流體行為（參見第4.5節(jié)），如果在一些甚至是全部的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)遭破壞時(shí)則應(yīng)變會(huì)變小，而物質(zhì)的黏度可能要比先前在相同黏度下為低。因?yàn)槿缧跷鹪谄茐暮箝_始產(chǎn)生聯(lián)結(jié)，此聯(lián)結(jié)速率大小所需的時(shí)間影響可使黏度到達(dá)先前大小，假如再聯(lián)結(jié)速率夠快的話，則黏度將會(huì)顯現(xiàn)出和先前一樣。相反的話，再聯(lián)結(jié)速率慢，黏度將會(huì)變小，這種在流變學(xué)行為導(dǎo)致的結(jié)果稱為“搖溶現(xiàn)象“（參見第4.5節(jié)）。 在分散相中所受的引力大于物質(zhì)介于分散相及液相中所表現(xiàn)出的界面力，這將間接影響系統(tǒng)的流變行為。然而，系統(tǒng)中凝聚或非凝聚的媒介誘因是一種控制流變行為的方法。 構(gòu)成分散相中的粒子形狀也可藉此量測(cè)系統(tǒng)的流變行為。在一個(gè)流動(dòng)介質(zhì)環(huán)境下，靜止的粒子為一轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)。如果粒子本身為球狀的話，轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)自發(fā)。然而，如果粒子是針狀或平板狀的話，則轉(zhuǎn)動(dòng)的發(fā)生就很難預(yù)測(cè)，因其受眾多應(yīng)變效應(yīng)影響。 當(dāng)在一個(gè)多相系統(tǒng)中量測(cè)黏度時(shí)，分散相的穩(wěn)定度為一特殊的臨界參考。假若分散相傾向于較穩(wěn)定的話，則產(chǎn)生一非均質(zhì)流體，而系統(tǒng)的特征流變性質(zhì)也將隨之改變。在大部分的例子里，這表示量測(cè)的黏度值將變小。而在這期間所量測(cè)的值通常都為偏差值，我們必須留心并仔細(xì)確定靜止時(shí)的分散相性質(zhì)。