流变学基础ppt课件

补充： 流变学基础
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第一节 概 述
一．流变学的基本概念
➢ 流变学——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。
➢ 变形：对某一物体外加压力，其内部的各部分的形状和 体积发生的变化。
➢ 对液体或固体施加外力，则液体或固体内部存在一种与
外力相对抗的内力使其恢复原状。此时在单位面积上存在
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第二节 流变性质
一．牛顿流动
牛顿粘度定律：纯液体和多数低分子溶液和高分子稀溶液 在层流条件下的剪切应力（ 单位面积上的粘滞阻力σS）与剪 切速度（γ垂直于流动方向上的速度梯度）成正比。遵循该法 则的液体为牛顿流体。
式中，η——粘度或粘度系数，是表示流体粘性的物理常数
。单位为泊，1P= 0.1N·S ·m-2，SI单位中粘度用Pa·S或
➢ 实际上，某一种物质对外力表现为弹性和粘性双重特性 （粘弹性）。这种性质称为流变学性质，对这种现象进行 定量解析的学问称为流变学。
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切变应力与切变速率
➢ 在流速不太快时，可将流动着的液体视为互相平行移动 的液层叫层流（如下图），由于各层的速度不同，便形成 速度梯度du/dy，这是流动的基本特征（水中之游鱼）。
➢ 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，而且随时间变化，此现象称为蠕变性。
η——塑性粘度；σ0——屈伏值、致流值或降伏值，单位为dyne·㎝-2。
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塑性流体的结构变化示意图
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塑性流动的特点：不过原点；有屈伏值σ0； 当切应力σ< σ0时，形成向上弯曲的曲线； 当切应力σ> σ0时，切变速度和切应力呈直 线关系。
表现为塑性流动的有浓度较高的乳剂和混
悬剂。
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Kg/(m·s)表示。粘度系数除以密பைடு நூலகம்ρ得的值ν（ν =η/ρ）为
动力粘度（SI单位为㎡/S）。
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下表中表示常用的各种液体在20℃条件下的粘度 （厘泊秒）。
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根据公式得知牛顿液体的切变速度与切变应力之 间如下图所示，呈直线关系且直线经过原点。
(a)牛顿流动
在一定温度下，牛顿液体的粘度为常数，它只是温度的函数，随温度升高而减小。
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。
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大分子的流动时，运动单元不是整个分子链 （高分子体积庞大）而是链段，整个分子链的运 动是靠链段相继跃迁实现的，从而产生高分子的 宏观流动。类似于蚯蚓的蠕动。孔穴只需链段的 大小即可。（汽车的排队和运动模式）。
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（一）塑性流动 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，得屈伏值（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 和切变应力呈直线关系。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伏值σ0：
D S S0
(b)塑性流动
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切力变稀体原因：1、由于剪切力作用使分子缠结 解开。2、由于大分子的长链结构，流动时，从 不同流速的液层中挣脱到同一流速层中去，而发 生取向。
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（四）触变流动
➢ 当对某种体系进行搅拌时，由于其粘度下降，故流体易 于流动。但是，放置一段时间以后，又恢复原来的粘性。 象这种随着切变应力的下降，其粘度下降的物质，即在等 温条件下缓慢地恢复到原来状态的现象称为触变性。
的内力称为应力（Stress）（如橡胶）。
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➢ 由外部应力而产生的固体的变形，如除去其应力，则固 体恢复原状，这种性质称为弹性。
➢ 把这种可逆性变形称为弹性变形，而非可逆性变形称为 塑性变形。
➢ 流动主要表示液体和气体的性质。流动的难易与物质本
身具有的性质有关，把这种现象称为粘性。流动也视为一 种非可逆性变形过程。
表征体系流变性质的两个基本参数：
u
1. 在单位液层面积（A）上施加的使
y
各液层间产生相对运动的外力称为剪
切应力，简称剪切力，单位为N/m2，
以S表示。
2.剪切速度，单位为S-1，以D表示。
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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。
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触变性(thixotropy):象这种随着剪切应力增大，粘度下 降，剪切应力消除后粘度在等温条件下缓慢地恢复到 原来状态的现象称为触变性。
其流动曲线的特性表现为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。也 就是说，与同一个σ值进行比较，曲线下降时粘度低， 上升时被破坏的结构并不因为应力的减少而立即恢复 原状，而是存在一种时间差。
（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。
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假塑性流体的结构变化示意图
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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。
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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。
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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和剪切应力的变化规律，经作图 后可得三种曲线的类型：塑性流动、假塑性流动、触变流 动。