流变学基础及应用
Rheology(流变学基础)
二．非牛顿流动
实际上大多数液体不符合牛顿粘度定律， 实际上大多数液体不符合牛顿粘度定律，如高分子溶 胶体溶液、乳剂、混悬剂、软膏以及固液、胶体溶液、乳剂、混悬剂、软膏以及固-液的不均匀 体系的流动。把这种不遵循牛顿粘度定律的物质称为非牛 不遵循牛顿粘度定律的物质称为 体系的流动。把这种不遵循牛顿粘度定律的物质称为非牛 顿流体，这种物质的流动现象称为非牛顿流动 非牛顿流动。 顿流体，这种物质的流动现象称为非牛顿流动。 非牛顿流体的剪切速度D和剪切应力S的变化规律，经 非牛顿流体的剪切速度D和剪切应力S的变化规律， 作图后可得四种曲线的类型：塑性流动、假塑性流动、 作图后可得四种曲线的类型：塑性流动、假塑性流动、胀 形流动、触变流动。 形流动、触变流动。 对于非牛顿流体可以用旋转粘度计进行测定。 对于非牛顿流体可以用旋转粘度计进行测定。
对于这种粘弹性， 对于这种粘弹性，我们用弹性模型化的弹簧和把 粘性通过模型的缓冲器的复合型模型加以表示： 粘性通过模型的缓冲器的复合型模型加以表示： 麦克斯韦尔（Maxwell） （一）麦克斯韦尔（Maxwell）模型 福格特（Voigt） （二）福格特（Voigt）模型 （三）双重粘弹性模型 （四）多重粘弹性模型
胀性液体的流动公式： 胀性液体的流动公式： /η D= Sn /ηa n<1，为胀性流体； n<1，为胀性流体； 当n接近1时，流动接近牛顿流动。 接近1 流动接近牛顿流动。
（d）胀性流动
胀性流体的结构变化示意图
• 胀性流动的特点：没屈伏值；过原点；切应速度很小时， 胀性流动的特点：没屈伏值；过原点；切应速度很小时， 液体流动速度较大，当切应速度逐渐增加时， 液体流动速度较大，当切应速度逐渐增加时，液体流动速度 逐渐减小，液体对流动的阻力增加，表观粘度增加， 逐渐减小，液体对流动的阻力增加，表观粘度增加，流动曲 线向上弯曲。 线向上弯曲。 • 在制剂中表现为胀性流动的剂型为含有大量固体微粒的高 浓度混悬剂如50%淀粉混悬剂、糊剂等。 50%淀粉混悬剂 浓度混悬剂如50%淀粉混悬剂、糊剂等。
06第六章 流变学基础
种性质称为触变性。
18
触变性流体
• 触变流动的流动曲线特点：剪切应力的
下降曲线与上升曲线相比向左迁移，在图上表 现为环状滞后曲线。
• 产生触变的机制：随着剪切应力的增加，
粒子之间形成的结构受到了破坏，粘性减小； 撤掉剪切应力时，被拆散的粒子靠布朗运动移 动到一定的几何位置，才能恢复原来的结构， 即粒子之间结合构造的恢复需要一段时间，从 而呈现出对时间的依赖，表现出触变性。
F B
dv dx
A
6
三、黏弹性
黏弹性(viscoelasticity):是指物质具有黏性与弹 性的双重特性，具有这种性质的物体称为黏弹 体，如软膏剂或凝胶剂等半固体制剂。
7
第二节 流体的基本性质
一、牛顿流体
1.牛顿公式：理想液体服从牛顿黏性定律——流 体内部的剪切应力与垂直于流体运动方向的速度
梯度D成正比，即S=F/A=D
A为面积；F为A面积上施加的力；为黏度或黏度系数[Pa·s, 1Pa·s=10P(泊)]， 20℃水的粘度约为1厘泊。
8
二、非牛顿流体 塑性流体 假塑性流体 胀性流体 触变性
9
塑性流体 • 塑性流动(plastic flow) ：当外加剪切
应力较小时，物体不流动，只发生弹 性变形，当剪切应力超过某一限度时， 物体发生永久变形，表现为可塑性。
• 屈服切应力与制剂流动性有关，选择有适 当屈服切应力的基质，保证其具有合适的 流动性（既不容易从容器中流出，也要易 于在皮肤上铺展）
33
二、流变性质对不同制剂制备方法的影响 栓剂制备中的应用
• 栓剂在直肠温度下的流变学性质会影响栓 剂中药物的释放和生物吸收。
34
三、流变性质对生产工艺的影响
第七章 流变学基础
塑性流体、假塑性流体、胀性流体、假黏性流体中多数具
有触变性。
流变学在药剂学中的应用
流变学在药学研究中的重要意义在于可以应用流变学理 论对乳剂、混悬剂、半固体制剂等的剂型设计、处方组成 以及制备、质量控制等进行评价。
下的粘度。
根据公式得知牛顿液体的切变速度D与切变应力S 之间如下图所示，呈直线关系且直线经过原点。
(a)牛顿流动
二．非牛顿流动
实际上大多数液体不符合牛顿粘度定律，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。把这种不遵循牛顿粘度定律的物质称为非牛顿 流体，这种物质的流动现象称为非牛顿流动。
非牛顿流体的剪切速度D和剪切应力S的变化规律，经 作图后可得四种曲线的类型：塑性流动、假塑性流动、胀 形流动、触变流动。
对于非牛顿流体可以用旋转粘度计进行测定。
（一）塑性流体 塑性流动的流动曲线：曲线不经过原点，在横轴 S 轴上 的某处有交点，得屈服值（yield value）或降伏值。 当切变应力增加至屈伏值时，液体开始流动，切变速度 D和切变应力S呈直线关系。液体的这种性质称为塑性流动 。引起液体流动的最低剪切应力为屈服值S0：
（二）假塑性液体
当作用在物体上的剪切应力大于某一值(S0) 时物体开始流动，表观黏度随着剪切应力 的增大而减小，这种流体称~ 特点：具有屈服值(S0) ，剪切应力超过S0 值时才开始流动。 剪切稀化 如MC、CMC等大多数高高分子溶液
（三）胀性流体
胀性流动曲线曲线经过原点，且随着切变应力的增大其粘 性也随之增大，表现为向上突起的曲线称为胀性流动曲线（ dilatant flow curve）。 胀性流体的流动公式： D= Sn /a n<1，为胀性流体； 当n接近1时，流动接近牛顿流动。
药剂学 第十四章 流变学基础
（二）剪切应力与剪切速度
力
粘度(viscosity):它表示物质 在流动时内摩擦力的大小
为使液层能维持一定的速度流动,必须施加一个 与阻力相等的反方向力,在单位液层面积上所施
加的这种力称为剪切应力S(shearing force):
简称切力.单位为N.m-2 Shear stress is the stress component parallel to a given surface, such as a fault plane, that results from forces applied parallel to the surface or from remote forces transmitted through the surrounding rock.
运动粘度:即液体的动力粘度与同温度下该流体密度ρ之 比。用小写字母v表示。
旋转粘度计的类型很多，包括 同轴双筒旋转粘度计、单筒旋 转粘度计、锥板粘度计、转子 型旋转粘度计，可以根据实际 需要来选择不同类型的粘度计。
圆锥平板粘度计
針入度
在指定温度和外力下滑
脂被插入的深度叫“针 入 度”。
“针入度”越大则表明
力轴相交一点fB
使塑性体开始流动所需加的临界切应力即为屈服值 （yield value)
(二) 假塑性流体(pseudo plastic flow)
体系没有屈服值,流变曲线经过原点, 黏度随切 速增加而减少.显示这种流动性质的流体即为假 塑性流体. 从流动曲线某一特定点切线斜率的倒数求得的
黏度称为表观黏度(happ).表观黏度一定要标明
（二）流变学在乳剂中的应用
▪ 乳剂在制备和使用过程中经常会受到各种剪 切力的影响，大部分乳剂表现为非牛顿流动。
第六章 流变学基础
第六章流变学基础第一节概述一、变形与流动变形：对某一物体施加压力时其内部各部分形状和体积发生变化的过程应力（stress）：对物体施加外力时内部产生对应的力使其保持原状，此时单位面积上存在的力弹性（elasticity）：物体在外力作用下发生形变，外力撤销后恢复原来的状态的性质黏性（viscosity）：物体在外力作用下质点间相对运动产生的阻力二、剪切应力和剪切速率三、黏弹性：黏性与弹性的双重性质，这种物体为黏弹体第二节流体的基本性质一、牛顿流体牛顿公式：流体内部剪切应力与垂直于流体运动方向的速度梯度成正比二、非牛顿流体（一）塑性流体：剪切应力较小时发生弹性形变，超过某一值后发生塑性流动原因：静止时粒子聚集成网状结构，当应力超过屈服值时开始塑性流动（二）假塑性流体：加小的应力就会发生流动，没有屈服值（三）胀性流体：阻力随应力增大而增大条件：1、粒子必须是分散的2、分散相浓度在一个狭小的范围（四）触变性：体系搅拌时为流体，停止搅拌时逐渐变稠甚至胶凝第三节流变性测定法一、黏度的测定（一）黏度的测定方法绝对黏度、相对黏度、动力粘度、特性黏度、增比粘度、比浓黏度（二）影响因素1、温度2、压力3、分散介质4、分散相（三）仪器1、毛细管式黏度计：根据液体在毛细管的流出速度测量液体黏度2、旋转式黏度计：旋转过程中作用于液体的剪切应力大小3、落球式黏度计二、稠度的测定1、插度计：一定温度下150g金属椎体放在待测物表面以插入深度测定稠度2、平行板黏度计：样品夹在板间，施加压力根据扩散速度评价其涂展性第四节流变学在药剂学中的应用一、药物制剂的流变性质（一）稳定性（二）可挤出性（三）涂展性（四）通针性（五）滞留性（六）控释性二、对制备方法的影响（一）乳剂中制备的影响：表面黏性、表面弹性、表面黏弹性（二）软膏剂制备的应用：（三）混悬剂制备中的应用（四）栓剂制备中的应用三、药物制剂流变学对生产工艺的影响（一）工艺放大（二）混合作用四、心理流变学软膏剂的分类：1、较柔软，主要用于眼部2、中等稠度3、用于渗出性糜烂皮炎。
《流变学基础》课件
应变：物体受到外 力作用时，形状或 尺寸发生的变化
应变速率：物体应 变的速度，通常用 单位时间内应变的 变化量来表示
应力、应变和应变速 率是流变学的基本概 念，它们之间的关系 是流变学研究的核心 内容
屈服点：材料在受 到外力作用下，开 始发生塑性变形时 的应力值
屈服应力：材料在 屈服点时的应力值
研究方向：多 学科交叉融合， 如生物流变学、 环境流变学等
技术挑战：提 高测量精度、 开发新型流变
仪等
应用领域：拓 展到更多工程 领域，如航空 航天、生物医
学等
理论创新：建 立更完善的流 变学理论体系， 解决复杂流变
问题
汇报人：
流变学中的本构方程是描述材料在应力作用下的变形和流动的基本方程。 本构方程可以分为线性本构方程和非线性本构方程。 线性本构方程是最简单的本构方程，它假设材料的变形和流动是线性的。 非线性本构方程则考虑了材料的非线性变形和流动特性。
PART FIVE
流变仪：用于测量流体的流变 特性
旋转流变仪：用于测量流体的 剪切应力和剪切速率
温度升高，流变特性增强 压力增大，流变特性减弱 温度和压力共同作用，影响流变特性 实验和测量技术：需要精确控制温度和压力，以获得准确的流变特性数据
流变特性：材料在应力作用下的变形和流动特性
微观结构：材料的内部结构，包括原子、分子、晶格等
机理：流变特性的物理和化学机制，如分子间的相互作用、晶格变形等
玻璃材料：具有透明、易加工、耐腐蚀等特点，广泛应用于建筑、光学等领域
流变学在陶瓷和玻璃材料中的应用：研究材料的变形、断裂、蠕变等行为，为材料的设 计和加工提供理论依据
流变学在陶瓷和玻璃材料中的应用实例：陶瓷材料的烧结工艺、玻璃材料的成型工艺等
流变学基础及应用
II. Physica MCR300流变仪简介
III. Physica MCR300流变仪应用演示
I. 流变学基础
1 流变学及其发
展历史
➢ 什么是流变学？
• 流变学：研究物质流动和变形的科学
• Rheology = the science of deformation and flow of matter (Society Of Rheology, SOR)
DIN 53015 ISO 12058
thermometer
HAAKE
GENEQ
measuring tube including the ball
stand jacket,
for temp. control
➢ 落杆粘度计
weight
Falling-Rod Viscometers
printing ink
希腊语: rheos = to flow，流动
流动行为
变形行为
➢ 流变学的发展历史
• 古代 “万物皆流”
• 1676 虎克定律：弹性固体（形变与受力成正比） • 1687 牛顿定律：粘性液体（流动阻力与流动速度成正比）
• 1905 爱因斯坦：悬浮液粘度方程（h = hs(1+2.5f)）
• 1920 宾汉（Bingham）提出“流变学”概念 • 1945 首台旋转粘度计面世（Brookfield）
➢ 流杯
Flow Cups
measurement of the flow time
determination of the kinematic viscosity
流变学基础
一、概述
• 观察河中的流水：尽管水流方向一致，但水流速度却不 同，中心处的水流最快，靠近河岸水流较慢。 • 因此，在流速不太快时，可以将流动着的液体视为互相 平行移动的一个个液层；由于各层的速度是不同的，所 以产生速度梯度dυ/dy，这是流动的基本特征。
• 因为有速度梯度存在，流动较慢 的液层阻滞着流动较快液层的运动， 所以产生流动阻力。
（一）流变学在混悬剂中的应用
• 如图，表现假塑性流动的 西黄蓍胶、海藻酸钠、羧 甲基纤维素钠等物质具有 上述性能。 • 图中用具有牛顿流体性质 的甘油为对照组进行实验， 结果说明，甘油的粘性作 为悬浮粒子的助悬剂较为 理想。
• 触变性物质在静置状态下 可形成凝胶，经振摇后转 变为液状。
（一）流变学在混悬剂中的应用
（二）非牛顿流体
• 4、触变流动——大多数非牛顿流体 均具有触变性，凝胶、溶胶为典型 触变性体系。 • 特点： • 1)上升曲线与下降曲线不重合，形 成环形滞后曲线； • 2)上升和下降曲线包围成一定面积， 称为滞后面积，这种现象称为滞后 现象； • 3)滞后面积是衡量触变性大小定量 指标，其大小由切变时间和切变速 度决定。
SM
K
度液体， 平行圆板型用于测定高粘度液 体。
(a)双重圆筒型
(b)圆锥圆板形 (c)平行圆板型
图---旋转粘度hirley粘度计为圆锥—平板粘度计的一种类型。如 图所示。 • 测定方法为将试验液放在平板的中央，然后把平板推至上 面的圆锥下部，使试验液在静止的平板和旋转的圆锥之间 产生切变。
（二）流变学在乳剂中的应用
• 粘性的影响因素： • 分散相
• 连续相
• 乳化剂
（二）流变学在乳剂中的应用
• 分散相：与分散相相关的主要因素有相的体积比、 粒度分布、内相固有的粘度等。 • 分散相体积： • 粒度分布
第七章 流变学基础
a）牛顿型 b）胡克型。c）圣维南型
第三种类型在小于一定值的应力的作用下，物体呈现出完全刚性。但应力超过一定 值以后，物体极易流动。故其D－f 流型曲线为距原点一定距离的垂直线。这一引起 物体流动的最低应力称为流动极限值或称屈服值，这种物体称为理想塑性体或称圣 维南（St. Venen）型物体。简称S－流型。其机械模型可以用物体在底板上滑动来描 2 述，如图7－lc所示。
第七章 流变学基础
流变学（Rheology）是研究物质在外力作用下发生形变和流动的科学。它研究剪切 应力，切变速率以及时间三者之间的关系。 内容包括： 1）研究在外力作用下物体发生形变。通常作用力以剪切应力表示，形变则以切变速 率表示。 2）研究液体、胶体或悬浮液在外力作用下的流动。流动时所表现出来的一个重要性 质是粘度，因此讨论液体的粘度及其测定，悬浮液的粘度定律及其影响因素，以及 粘度与高聚物摩尔质量的关系。 7.1 流型 1、流型简介 流体，特别是胶体和悬浮液的流变行为一般都很复杂，不可能用一个简单的公式来 作统一的描述。 在研究流体的流变性时按照剪切应力 f 与切变速率 D 的关系，分成各种类型——流 型来进行讨论。 最基本的流型有三种，其他可以通过这三种基本形式组合得到。
第十四章-流变学基础分析
3.5 不同性质药物对甲壳胺流变学性质的影响
分别制备含盐酸 雷 尼 替 丁 20% 、 40% 的 溶胶 , 于 20℃ 测 定 不 同 剪 切速度(D)下的切 应力(S) , 作其流 变曲线。
蠕变性(creep)：对物质附加一定重量时， 表现为一定的伸展性或形变，而且随时间 变化的现象。
粘弹性模型：
麦克斯韦尔(Maxwell)模型： 弹簧和缓冲器串联。
福格特(Voigt)模型： 接近于实际高分子 弹簧和缓和器并联。 材料的蠕变和恢复
曲线的现象。
双重粘弹性模型： 把几个Maxwell 和Voigt模型组合在一起
浓度越高，粘 度越大
3.3 pH值对壳聚糖流变学性质的影响
用 pH 值分别为 3.6、 4.5 和 6.0 醋酸-醋酸盐 缓冲液分别制备 1% 壳 聚糖Ⅲ 溶胶，于 20℃ 测量不同剪切速度(D) 下的切应力(S) ， 作流 变曲线。
pH 值较小时, 非牛 顿流体行为明显， 粘度较大
3.4 温度对甲壳胺流变学性质的影响
第三节 蠕变性质的测定方法
一、测定高分子液体流变学性质的途径：
测定使待测样品产生微小应变r(t) 时所需的 应力 S(t)；
测定对待测样品施加应力S(t) 时所产生的应 变程度 r(t)；
施加一定切变速度时，测定其应力S(t)。
具体测定方法：
不随时间变化的静止测定法，即r0 一 定时，施加应力 S0，适用于牛顿流体 的测定。
流动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。
由3于. 粘具弹有弹性性（，v可is把co外e力lasticity）
做功的一部分转化为存储 在物质内部的应变能
流体的流变学和流变性
流体的流变学和流变性流体的流变学是研究流体在外力作用下变形和流动行为的科学。
流变性描述了流体在受力时的响应特性，其对于工程学、材料科学、地质学和生物学等领域具有重要意义。
本文将介绍流体的流变学基础知识、流变性的分类与特征，以及流变学在不同领域的应用。
一、流体的流变学基础知识流体的流变学基础知识包括黏度、剪切应力、剪切速率等概念。
黏度是衡量流体内部黏滞阻力大小的物理量，它描述了流体的黏稠程度。
通常用希氏粘度（Pa·s）或毫希氏粘度（mPa·s）来表示。
剪切应力是指单位面积上的切应力，即流体在受力作用下沿垂直于受力方向发生的变形力。
用帕斯卡（Pa）来表示。
剪切速率是指流体内各层之间相对运动的速率，它是剪切应力引起的流体变形速率。
通常用秒的倒数（s-1）来表示。
二、流变性的分类与特征根据流体的流变性质，流体可以分为牛顿流体和非牛顿流体。
牛顿流体是指其黏度对剪切应力的变化不敏感，黏度保持不变。
一般来说，水、气体等低粘度液体都是牛顿流体。
非牛顿流体则是指其黏度随剪切应力的变化而变化。
非牛顿流体的流变性质较为复杂，主要分为塑性流体、剪切稀化流体和剪切增稠流体等。
塑性流体是指在一定的剪切应力下才会发生塑性变形的流体，如面膜、牙膏等。
剪切稀化流体是指其黏度随剪切应力的增加而减小的流体，如可可粉、淀粉水等。
剪切增稠流体则是指其黏度随剪切应力的增加而增大的流体，如颜料、油漆等。
非牛顿流体常常表现出流变学特征，如屈服应力、流变模量、渗透率等。
这些特征能够帮助我们理解流体在不同应力下的行为，并且对于流体的使用和加工具有重要的指导作用。
三、流变学在不同领域的应用1. 工程学领域：流变学在工程学中的应用十分广泛。
例如，在涂料工业中，对涂料黏度和流动性的研究可以优化工艺流程和涂料性能。
再如在食品工业中，流变学可以帮助研究食品的质地、流动性和纹理，为新产品的开发提供指导。
2. 材料科学领域：流变学对材料的研究和评价也具有重要意义。
流变学的三大方程的数学基础与应用基础
阐明流变学的“三大方程”的数学基础高聚物材料的性能测定和加工过程，是流变学的主要研究范围和对象。
为了定量地分析研究高聚物材料的流动和变形过程，必须建立起描述这个过程的数学方程。
这就是流变学的三大基本方程：连续性方程，动量方程和能量方程。
而且这些数学方程必须建立在矢量模型和张量运算的基础上。
高聚物流变学的发展，与现代数学的应用密切相关。
特别是张量分析是高聚物流变学研究中必不可少的工具。
这里涉及到有限的一些张量分析的数学概念，有助于我们建立矢量空间的思维能力，以便更好地理解流变学基本方程，及其一些加工应用方程的推导。
全面学习和研究流变学，必须具有矢量代数，线性代数和张量运算的数学基础。
（1）标量，矢量和张量 没有任何方向性的纯数值的量称为标量。
如质量m ，体积V ，密度ρ，温度T ，热导率λ，热扩散率α，比定压热C P 和能量E 等。
标量的特征是其值不因坐标系变换而变换。
既有方向，又有大小的量称为矢量，如位移，速度和温度梯度等。
矢量用粗体代号或一个脚码代号表达k a j a i a a a z y x i ρρρρ++==这里k j i ρρρ,,是分别平行于x ，y ，z 轴的单位矢量。
三个分量a x ，a y ，a z 的大小，实际上是矢量a i 在x ，y ，z 轴上投影。
对于一个直角坐标系中的矢量a i (a 1,a 2,a 3)，需经坐标变换公式，才能变换到另一直角坐标系a `i (a `1,a `2,a `3)。
张量比矢量更为复杂，是矢量的推广。
在物理学上的定义为：在一点处不同方向上具有各个矢量值得物理量。
流变学应用的是二阶张量，是“面量”。
张量在数学上定义是：在笛卡尔坐标系上一组有32个有序矢量的集合。
指数n 称为张量的阶数，二阶笛卡尔张量3 n =9，n=2。
标量是零阶张量，矢量是一阶张量。
张量不仅可以从一个直角坐标系转换到另一个直角坐标系，还可以按定量关系转换到柱面坐标系（r ,θ, z ）和球面坐标系（r , θ, ϕ）。
流变学基础
应力松弛测量
10
瞬时阶跃应变
1.0 应变 %
0.1
0.01
恒定应变
0.001 0.01 0.1
1
10
100
时间 log secs
G 松弛模量 (Pa)
应力松弛测量
H (Pa) 松弛时间谱
0.001 0.01 0.1
1
10
100
时间 log secs
应力松弛谱图
• 瞬时阶跃响应时间小于5 ms • 应变没有过冲 • 快速的模量衰减 - 粘性样品
锥板的不利之处
• 溶剂产生挥发
• 顶点处 的小间 隙，在测量带粗 糙填料的体系时 受到限制
杯 和 转子 (同轴圆桶)
• 很宽的间隙 (11.5mm)，适合填充 材料
• 更大的表面积，测 量稀薄液体时更灵 敏
• 减少了挥发
杯和转子的不利ห้องสมุดไป่ตู้处
• 清除样品更困难
• 与 Peltier 或其它 平板加热体系， 兼容性相对较差
• 这个流动能够描述为应变随时间变化的函数关系
Force, F
Constant velocity, v h
粘性流动
• 如果立方体是粘性液体，当我们施加一个力时，我们就 得到一个恒定的流动而不是一个形变
• 这个流动能够描述为应变随时间变化的函数关系
Force, F
Constant velocity, v h
剪切粘度
粘度 = 剪切应力 剪切速率
• 单位:
– Pascal second - Pas (SI)
– Poise
- P (CGS)
• 单位换算:
– 1 Pas = 10 P 或 1 mPas = 1 cps
流变参数指导书
流变参数指导书导言：本流变参数指导书旨在提供流变学理论基础及流变参数的解释和使用指南，以帮助读者更好地理解流变学在实际应用中的重要性，并正确选择和解读流变参数。
第一部分：流变学基础知识1. 流变学的定义和意义- 介绍流变学的定义和研究对象，以及在材料研究、工程设计和质量控制等领域中的重要性。
2. 流变学的分类- 介绍流变学的分类方法，包括应力-应变关系、变形速率和温度等因素。
3. 流变变量和流变参数- 解释流变学中常用的流变变量，如应力、应变、剪切应力、剪切应变等，以及这些变量之间的关系。
- 介绍常用的流变参数，如黏度、黏弹性模量、剪切速率等，以及它们在不同应用中的意义和使用方法。
第二部分：流变参数的使用指南1. 流变参数的测定方法- 介绍流变参数的测定方法，包括旋转式和振动式流变仪的使用原理和操作步骤。
- 强调正确测量参数的重要性，以及仪器校准和数据处理的要点。
2. 常见流变参数的解释和应用- 详细解释常见的流变参数，如剪切应力、剪切应变、黏度和流变指数等，并说明它们在实际应用中的意义和用法。
- 提供具体案例分析，以帮助读者更好地理解不同参数的应用场景和解读方法。
3. 流变参数与材料性能之间的关系- 探讨流变参数与材料性能之间的关系，如流动性、强度和可加工性等。
- 强调正确理解和使用流变参数对于优化材料性能和提高生产效率的重要性。
第三部分：流变参数的误解和常见问题1. 流变参数误解的原因和影响- 分析流变参数误解的原因，如测试条件、样品状态和测试方法等因素。
- 阐述流变参数误解的后果，如产品性能不达标和工艺失控等问题。
2. 常见流变参数解读的困惑和解决方法- 整理常见的流变参数解读困惑，如剪切应力和剪切速率之间的关系、黏度和流变指数的解读等问题。
- 提供解决这些困惑的方法和实例，以帮助读者正确解读和应用流变参数。
结论：本流变参数指导书通过介绍流变学基础知识、使用指南和常见问题解答，旨在帮助读者更好地理解流变学的重要性和流变参数的应用方法。
第14章 流变学基础
第十四章流变学基础第一节概述一、流变学的基本概念（一）流变学研究内容流变学—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变形和流动的一门科学。
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）。
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。
实际上，多数物质对外力表现为弹性和粘性双重特性，称为粘弹性物质。
（二）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互相平行移动的液层，叫层流，如图14-1。
由于各层的速度不同，便形成速度梯度du/dy，或称剪切速度。
这反映流体流动的特征。
由于流动阻力便产生速度梯度，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（shearing force），单位为N·m-2，以S表示。
剪切速度（rate of shear），单位为s-1，以D表示。
剪切应力与剪切速度是表征体系流变性质的两个基本参数。
图14-1 流动时形成的速度梯度二、流变学在药剂学中的应用流变学在药学研究中的重要意义在于可以应用流变学理论对乳剂、混悬剂、半固体制剂等的剂型设计、处方组成以及制备、质量控制等进行评价。
流变学基础
以S表示。
2.剪切速度，单位为S-1，以D表示。
精品课件
小分子流动与高分子黏性流动机理的区 别：
流动机理： 小分子的流动，简单来说是靠整个分子的孔
穴跃迁完成的。运动单元是整个分子。 在小分子液体内部，存在许多与小分子尺寸
相当的孔穴，在外力作用下，分子不断沿外力方 向跃迁填补前面的空穴，分子原来占有的位置成 为新的空穴后，又让后面的分子跃入，从而形成 了液体的宏观流动。
精品课件
（二）假塑性流动（高分子浓溶液） ➢ 随着σ值的增大粘度下降的流动现象称为假塑性流动。
（c）假塑性流动 ➢式中，ηa ——表观粘度（apparent viscosity）。 ➢ 假塑性流动的特点：没屈伏值；过原点；切应速度增大， 形成向下弯的上升曲线，粘度下降，液体变稀。
精品课件
假塑性流体的结构变化示意图
精品课件
三.粘弹性(Viscoelasticity)
➢ 高分子物质或分散体系具有粘性(viscosity)和弹性 (elasticity)双重特性，称之为粘弹性。 ➢ 应力缓和(stress relaxation)：物质被施加一定的压力 而变形，并使其保持一定应力时，应力随时间而减少，此 现象称为应力缓和。 ➢ 蠕变性(creep)：对物质附加一定的重量时，表现为一 定的伸展性或形变，而且随时间
产生触变的原因：对流体施加切应力后，破坏了液体内部 的网状结构，当切应力减小时，液体又重新恢复原有结构， 恢复过程所需时间较长，因而上行线和下行线就不重合。 触变流动的特点：等温的溶胶和凝胶的可逆转换。 塑性流体、假塑性流体中多数具有触变性，它们分别称为 触变性塑性液体、触变性假塑性液体。
η——塑性粘度；σ0——屈伏值、致流值或降伏值，单位为dyne·㎝-2。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
圆筒状转子（Cylinder） not recommended for pastes (air bubbles)
锥板转子（Cone-Plate） 平行板（Parallel-plates）
with dispersions
useful for
only useful for
gels and pastes
particles
Levelling
Extrusion, Injection Moulding
Non-destructive Oscillarory shear
10-3
Mixing
Roll Coating, Spraying
10-1 100 101
102 103
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
104
.
106 log /s-1
DMA Osc. / Rot. rheometer
1 流变学及其发展历史
➢ 什么是流变学？
• 流变学：研究物质流动和变形的科学 • Rheology = the science of deformation and flow of matter
(Society Of Rheology, SOR)
希腊语: rheos = to flow，流动
流动行为
relaxation, PVT, Flow instabilities
rot. rheometer: structural/low shear measurements high-pressure capillary: processing flow behaviour
➢ 聚合物加工过程对应的剪切速率
schematic presentation of a BOSTWICK-constistometer 1 sample container, max. 100 ml 2 gate, to be opened by a spring 3 scaled flow path
➢ 落球粘度计 Falling-Ball Viscometers
流变学基础及应用
牙膏—一个典型的流变学问题
HH Welcome
使用牙膏时挤出要容易，挤出后要求挺 MZ HU括，在牙刷上不能下陷，刷牙时又要轻
松，这就是要求牙膏遇剪切时粘度迅速
S 下降，而静止时又要具备一定的屈服应
力，以保持坚挺。
提纲
I. 流变学基础
1．流变学定义及发展历史 2. 粘度计及流变仪简介 3. 稳态流变学 4. 动态流变学
4.1 弹性行为及剪切模量 4.2 粘弹性行为 4.3 蠕变测试 4.4 弛豫测试 4.5 振荡测试
II. Physica MCR300流变仪简介
III. Physica MCR300流变仪应用演示
I. 流变学基础
The person in the picture: Thomas G. Mezger, Rheologist of Anton-Paar
Viscosities: low viscous to solid-like Quantities: Shear viscosity, yield, viscoelastic properties, relaxation etc.
High pressure capillary rheometer
Viscosities: (low-), middle- to high-viscous Quantities: Shear- and extensional viscosity, wall slip
Hook 定律
流动/粘度曲线
蠕变实验、弛豫实验、振荡实验
• 基本概念：剪切应力、剪切速率、粘度……
• 牛顿流体的流动行为 • 非牛顿流体（剪切依赖型）的流动行为：剪切稀释、剪切增稠、屈服值…… • 时间依赖型：触变性、震凝性 • 温度依赖型
➢ 剪切应力及剪切速率
剪切应力
Shear stress
F A
• 1951 首台旋转流变仪Rheogoniometer（Weissenberg） • 自1970年开始，流动曲线测试代替以前的单点测试
• 自1980年开始，大规模使用数控和计算机，流变学得到较大发展
➢ 中国的流变学
“我国流变学的应用研究起步较晚，20世纪60年代还只有个别自发 研究，目前的应用研究领域较少，甚至连流变学赖以发展的聚合物加工 行业也知之不多。以塑料制品为例，塑料厂引进的模具‘吃’进口的聚 合物粒子时，制品光滑、美观，可以和国外的同类产品相媲美，而一旦 换成国产原料粒子时，产品质量就下降。这是因为所使用的模具是按国 外原料的流变性能设计的，而国产原料的流变性与进口原料并不完全相 同，所以制品质量下降。尽管生产厂对模具进行完善修改，但也只是凭 经验做机械上的改动，并未考虑到粒子的流变性。”
Simple Test Methods
➢ 简单测试
铲刀试验（trowel test） - 高粘流体：“稠” - 低粘流体：“稀”
定性！
手指试验（finger test） - 粘稠：“长” - 稀薄：“短”
➢ 粘度计 Bostwick稠度计（Consistometer）
测定流体（如番茄酱等）在一定时间内流过的长度
DIN 53015 ISO 12058
thermometer
HAAKE
GENEQ
measuring tube including the ball
stand jacket,
for temp. control
➢ 落杆粘度计
weight
Falling-Rod Viscometers
printing ink
➢ Brookfield 粘度计
spindles as relative measuring systems: - cylinders - disks - pins - T-bar
➢ 旋转流变仪—绝对测量系统
旋转及振荡流变仪（rotational and oscillatory rheometers） according to DIN 53019 and ISO 3219
Bubble Viscometers
check mark
according to ASTM D803 and D1545
➢ 流杯
Flow Cups
Water-Clock (Klepsýdra)
for time measurements since 3500 years in Egypt e.g. 5 l corresponds to 6 min flow time
Viscosity (Pa.s)
1.E+08
Relaxation
Mixing
1.E+06 1.E+04
Free surface
Injection moulding
1.E+02
1.E+00 1.E-05
Extrusion Coating
1.E-03 1.E-01 1.E+01 Shear rate (s-1)
➢ 流变学的研究范围及方法
物质状态
液体
固体
性能表现 (理想)粘性流体行为 粘弹性流动行为 粘弹性变形行为 (弹性)变形行为
依据原理
Newton定律
Maxwell定律 Kelvin/Voigt定律 Hook定律
研究方法 流动/粘度曲线 稳态流变学
蠕变实验 弛豫实验 振荡实验
动态流变学
2 流变行为的研究工具—粘度计及流变仪
变形行为
www.physica.de
➢ 流变学的发展历史
• 古代 “万物皆流”
• 1676 虎克定律：弹性固体（形变与受力成正比） • 1687 牛顿定律：粘性液体（流动阻力与流动速度成正比）
• 1905 爱因斯坦：悬浮液粘度方程（h = hs(1+2.5f)）
• 1920 宾汉（Bingham）提出“流变学”概念 • 1945 首台旋转粘度计面世（Brookfield）
➢ Stormer 粘度计
Preset: constant torque (shear stress) applied by a free falling weight (in grams)
Result: rotational speed of the measuring system
Krebs measuring system ("Paddle") as a relative measuring system designation in Krebs Units, KU
Shear Rate (1/s) < 0,001 to 0,01 0,01 to 0,1 0,01 to 1 1 to 100 1 to 10 000 100 to 10 000 1 000 to 10 000 100 000 to 1 mio.
Application: Sedimentation of Dispersions
ARES-rfs
➢ Bohlin旋转流变仪
BohlinCVO BohlinGemini
BohlinC-VOR BohlinV88
➢ Physica旋转流变仪
RheolabMC1
MCR300、500
MCR301、501
SmartPave
ACS16/32
➢ 毛细管流变仪
r
P r 2L
r
4Q
r 3
单位面积所受的作用力
m N2Pa
应变
Strain
单位长度的伸长
v h
m m
constant
剪切速率
Shear rate
(D ) v d
h dt
m s ×m
1 s