流变学基础
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第十四章 流变学基础
流动可视为一种可逆性变形过程，与流体本身的粘度 （viscosity）有关。
测试仪器
基本参数
层流：流体流动时形成互相平行移动的液层。
剪切速度（rate of shear，Ｄ)：层流各层速度的不
同形成速度梯度，称为剪切速度。
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（shearing force，Ｓ）。
第六章 流变学基础
2
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第六章
第一节 基本概念
流变学基础
流变学（rheology）：主要是研究物质的变
形和流动的一门科学。
变形：物体受外力时，内部各部分的形状和体积发生 变化，称为变形。可恢复原状（可逆性）的变形为弹
性变形（elastic deformation)，反之则称为塑形变
形（plastic deformation)。
1,000 30 40 1/s 50 Shear Rate
第三节 粘度的测定
毛细管式粘度计
旋转粘度计 落球式粘度计
第四节 流变学的药剂学应用
流变学在药学研究中的重要意义在
于可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、质量等进行评价。
剪切应力和剪切速度是表征体系流变性质的两个基本
参数。
第二节 流变性质
一、牛顿流动
纯液体和多数低分子 溶液在层流条件下剪 切应力Ｓ与剪切速度
D
Ｄ成正比，遵循该法
则的液体为牛顿流体 （Newtonian fluid）。
S=F/A=ηD或D=S/η
S
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。
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二、非牛顿流体 塑性流体 假塑性流体 胀性流体 触变性
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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
14流变学基础
(三)胀性流体
切变稠化现象：曲线经过原点，且随
体填充 非凝聚性粒子处于密集型状态，其空隙被液
D
着剪切应力的增大其
剪切应力较低时(缓慢搅拌)，粒子排列不紊
粘性也随之增大
乱，表现为较好的流动性。 剪切应力较大(快速搅拌)，由于其粒子形成 疏松的填充状态，粒子空隙不能很好地吸 收水分而形成块状集合体，增大粒子间的
四、制剂流变性的评价方法
测定软膏、乳剂、雪花膏等半固体制剂的流变 性质，主要用penetrometer，curd tensionmeter 和spread meter进行测定。
液体
混合
半固体
固体
制备工艺 装量的生产 能力
皮肤铺展性和 压片或填充时 黏附性 粉体的流动
由剪切引起的 从瓶或管状容 粉末状或颗粒 操作效率的 二、流变学在药剂学中的应用 分散系粒子的 器中挤出制剂 状固体的充填 提高 粉碎 性 容器中液体的 流出和流入 通过管道输送 液体制剂 分散体系的物 理稳定性 与液体能够混 合的固体量 基质中药物的 释放
其保持一定应力时，应力随时间而减少的现象。
（三）双重粘弹性模型：
蠕变性：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。
第三节 蠕变性质的测定方法
具体测定方法： 三个主要测定途径：
不随时间变化的静止测定法，即 r0一定时，施加应 ①测定使待测样品产生微小应变 r(t)时所需的应力 S(t)； 力 S 0； ②测定对待测样品施加应力 S(t) 时所产生的应变程度 r(t) ； 转动测定法，对于胶体和高分子溶液的粘度，其变 ③施加一定剪切速度时，测定其应力S(t)。 S 化主要依赖于剪切速度。
• 混悬剂：静止时不沉降，振摇时易倾倒， 因此选择塑性流动的助悬剂和分散媒。常 见有羧甲基纤维素钠、西黄蓍胶、海藻酸 钠。皂土、胶性硅酸镁铝混合物具有塑性 流动和触变特性，用于外用混悬剂。
14流变学
第二节流变性质 二、非牛顿流动
3.胀性流动 图14-7e。曲线与假塑性相似，弯曲 方向相反。当切变速度很低时，液体流动速度较大； 当切变速度逐渐增加时，流动速度减少。含大量固 体微粒的高浓度混悬液属这种流动性质。
三、触变流动
图14-7 f。随剪切应力增大，黏度下降，剪切应 力消除后黏度在等温条件下缓慢恢复原来状态的现 象称触变性。浓混悬剂、乳剂及某些亲水性高分子 溶液，在静止时形成凝胶，当振摇搅拌时，变为可 流动的状态，静止后又恢复凝胶状态。这种等温的 可逆转换就是触变流动的特点。非牛顿流体多具触 变性。
第十四章 流变学（Rheology）基础 第二节流变性质
四、粘弹性
高分子物质或分散体系具黏性和弹性双重特 性称为黏弹性。固体被施加外力而变形，并使其 保持一定应力时，应力随时间而减少，称此现象 为应力缓和。
对物体施加一定重量时，表现为一定的伸展 性或形变，而随时间变化，此现象称蠕变性。
粘弹性可用弹性模型的弹簧和粘性模型的缓 冲器加以组合的各种模型表示。 第三节 蠕变性质测定方法（自学）
软膏基质的粘性（涂展性和黏附性） P346表14-1流变学在药学中的应用领域
第二节流变性质
第十四章 流变学（Rheology）基础
一、牛顿流动
牛顿黏度定律：剪切应力S与剪切速度D成正比， 为过原点直线。 S=F/A=ηD 或D=S/ η F：A面积上施加的力；η为粘度系数，简称粘度。
温度一定η是常Biblioteka 。η随温度升高而减少。二、流变学在药剂学中的应用 1.在混悬剂中应用
剪切速度小，流动慢，粘性高；反之粘性低。 振摇倾倒与粘性有关。具触变性的助悬剂理想 2.在乳剂中应用（流动性）
分散相体积比较低时表现为牛顿流体。体积比升 高粘性增加变为假塑性流动，较高时变为塑性流动， 达0.74时产生相转移黏度显著增加。 3.在半固体制剂中应用
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。
流变学基础
➢ 其原因主要是随着温度 的升高凡士林的蜡状骨架 基质产生崩解，另一方面， 液体石蜡聚乙烯复合型软 膏基质，通常在温度发生 变化的条件下能够维持树 脂状结构。
剂型设计和制备工艺过程中流变学的主要应用领域
(一）流变学在混悬剂中的应用
➢ 流变学可应用于讨论影响混悬液中分散粒子沉降时的粘 性及经过振荡从容器中倒出混悬剂时的流变性质的变化。 同时也可以应用于投药部位的洗剂的伸展性能等方面。混 悬液在静止状态下所产生的切变应力，如果只考虑悬浮粒 子的沉降，由于其存在的力很小，故可以忽略不计。但是 ，经过振摇后把制剂从容器中倒出时可以观察到存在较大 的切变速度。
D
S
S0
(b)塑性流动
η——塑性粘度（plastic viscosity）；S0——屈伏值、致流值或降伏 值，单位为dyne·㎝-2。
塑性流体的结构变化示意图
塑性流动的特点：不过原点；有屈伏值S0； 当切应力S< S0时，形成向上弯曲的曲线； 当切应力S> S0时，切变速度D和切应力呈 直线关系。
➢在制剂中表现为假塑性流动的剂型有某些亲水性高分子溶 液及微粒分散体系处于絮凝状态的液体。
（三）胀性流动（dilatant flow）
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）。
胀性液体的流动公式： D= Sn /a n<1，为胀性流体； 当n接近1时，流动接近牛顿流动。
➢ 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（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性变形（plastic deformat- ion）。
剂型设计和制备工艺过程中流变学的主要应用领域
(一）流变学在混悬剂中的应用
➢ 流变学可应用于讨论影响混悬液中分散粒子沉降时的粘 性及经过振荡从容器中倒出混悬剂时的流变性质的变化。 同时也可以应用于投药部位的洗剂的伸展性能等方面。混 悬液在静止状态下所产生的切变应力，如果只考虑悬浮粒 子的沉降，由于其存在的力很小，故可以忽略不计。但是 ，经过振摇后把制剂从容器中倒出时可以观察到存在较大 的切变速度。
D
S
S0
(b)塑性流动
η——塑性粘度（plastic viscosity）；S0——屈伏值、致流值或降伏 值，单位为dyne·㎝-2。
塑性流体的结构变化示意图
塑性流动的特点：不过原点；有屈伏值S0； 当切应力S< S0时，形成向上弯曲的曲线； 当切应力S> S0时，切变速度D和切应力呈 直线关系。
➢在制剂中表现为假塑性流动的剂型有某些亲水性高分子溶 液及微粒分散体系处于絮凝状态的液体。
（三）胀性流动（dilatant flow）
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）。
胀性液体的流动公式： D= Sn /a n<1，为胀性流体； 当n接近1时，流动接近牛顿流动。
➢ 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（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性变形（plastic deformat- ion）。
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。
14-药剂学-流变学基础
第二节 流变性质
一、牛顿流动 纯流体和多数低分子溶液在层流条件下的剪切应 力S与剪切速度D成正比，遵循该法则的液体为 牛顿流体（Newtonian fluid)。 1/ η S=F/A=ηD D=S/η 粘度与剪切速度无关， 只要温度一定，粘度就一定
D
S
粘度的单位
η= S/D Pa.s ，mPa.s 达因.厘米－2.秒（泊,p） 1泊＝0.1 Pa.s 药学中常用厘泊（cp) 1cp=10-2泊＝10-3pa.s
一、牛顿流体的粘度与测定 1、毛细管粘度计
η1 = η2 ρ2 t2 ρ1t1
奥氏粘度计 平氏粘度计 乌氏粘度计
待测液体 t
毛细管
奥氏粘度计
平氏粘度计
t
落球粘度计
η＝t(ρb-ρl).B
非牛顿流体流动性质测定
对于非牛顿流体，一般不采取测定某一切变速度 下的粘度，因为非牛顿流体的粘度不是常数，而 随切变速度变化而变化。（见图） 非牛顿流体的流动性质应采用可改变切变速度的 粘度计进行测定。 如旋转式粘度计，借助于流体中旋转物体的粘性 阻力来测定粘度。 优点：切变速度可调范围广，可自动调节至程序 切变速度。
如分散相体积比相对较低时（0.05以下）时，其 系统表现为牛顿流动；随着相体积比增加，系统 的流动性下降，表现为假塑性流动；而体积比较 高时，转变为塑性流动。体积比接近0.74时产生 相转移，粘度显著增加。 减小粒子的平均粒径能增加乳剂的粘度。 在粒子平均粒径相同的情况下，粒度分布宽的系 统，粘度较小，粒度分布窄的系统粘度较高。 乳化剂浓度越高，制剂的粘度越大 剪切速度增大时，粘度减少。原因是液滴间距离 增大所致。
S0 S
假塑性流动
随着S值的增大而粘度下降的流动称为假塑性流 动。 D=Sn/ ηa ηa 表观粘度，随剪切速度的改变而改变 n越大，非牛顿性越大， n=1为牛顿流体 甲基纤维素、西黄耆胶等 链状高分子的1％水溶液 表现为假塑性流动
《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。
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。
第七章流变学基础
生塑性变形，引起液体流动的最低剪切应力为屈 服值S0 ，此时η为定值； 3)其流动公式为D=(S－S0)/ ηa·
12
塑性流体的结构变化示意图
13
二、非牛顿流动
（二）假塑性流体（pseudo-plastic fluid）
1)具有屈服值； 2)随剪切应力的增大，ηa下降； 3)其流动公式为D=(S-S0) / ηa （ηa=kDn-1）
时的流变性质的变化。
➢理想的混悬剂的条件：在贮藏过程显示较高
的粘性，在振摇、倒出及铺展时能自由流动。
➢处方中选择具有假塑性流动的辅料，如西黄
25 蓍胶、海藻酸钠、羧甲基纤维素等。
25
改良Stormer粘度计测定的混悬剂流动曲线
26
26
5％混悬型水溶液的流变学流动曲线
27
27
图中A、B两点为静止 状态和振摇状态下混悬微 粒所受到的切变应力。
体积比↑，转变为假塑性流动（液体）；
体积比较高，转变为塑性流动（半固体）；0.1-0.5
体积比≈0.74，产生相的转移，粘度↑；
✓ 内相固有粘度
✓ 粒度分布 平均r相同的条件下，粒度分布越宽，系统粘度越低；
➢ 乳化剂：浓度越高，粘度越大；
32
➢ 连续相：粘度影响流动性主要因素之一。 32
三、流变学在半固体制剂中的应用
牛顿流体1：A、B两点虽 切变应力不同，但流体对 应的η相同，因此用提高η 的方法阻止粒子下沉将导 致倾倒困难；
28
28
假塑性流体2：ηA ＞ηB， 故静止状态微粒所受S 小，体系η大，粒子沉 降缓慢；而振摇时(B)， 体系η小，易于倾倒。
29
29
塑性流体3：A点的切 变应力小于屈服值， 故不发生沉降；振摇 时切变应力(B)大于屈 服值引起流动。故选 择屈服值介于AB之间 的助悬剂，则混悬剂 静止时不沉降，而振 摇时易于倾倒。
12
塑性流体的结构变化示意图
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二、非牛顿流动
（二）假塑性流体（pseudo-plastic fluid）
1)具有屈服值； 2)随剪切应力的增大，ηa下降； 3)其流动公式为D=(S-S0) / ηa （ηa=kDn-1）
时的流变性质的变化。
➢理想的混悬剂的条件：在贮藏过程显示较高
的粘性，在振摇、倒出及铺展时能自由流动。
➢处方中选择具有假塑性流动的辅料，如西黄
25 蓍胶、海藻酸钠、羧甲基纤维素等。
25
改良Stormer粘度计测定的混悬剂流动曲线
26
26
5％混悬型水溶液的流变学流动曲线
27
27
图中A、B两点为静止 状态和振摇状态下混悬微 粒所受到的切变应力。
体积比↑，转变为假塑性流动（液体）；
体积比较高，转变为塑性流动（半固体）；0.1-0.5
体积比≈0.74，产生相的转移，粘度↑；
✓ 内相固有粘度
✓ 粒度分布 平均r相同的条件下，粒度分布越宽，系统粘度越低；
➢ 乳化剂：浓度越高，粘度越大；
32
➢ 连续相：粘度影响流动性主要因素之一。 32
三、流变学在半固体制剂中的应用
牛顿流体1：A、B两点虽 切变应力不同，但流体对 应的η相同，因此用提高η 的方法阻止粒子下沉将导 致倾倒困难；
28
28
假塑性流体2：ηA ＞ηB， 故静止状态微粒所受S 小，体系η大，粒子沉 降缓慢；而振摇时(B)， 体系η小，易于倾倒。
29
29
塑性流体3：A点的切 变应力小于屈服值， 故不发生沉降；振摇 时切变应力(B)大于屈 服值引起流动。故选 择屈服值介于AB之间 的助悬剂，则混悬剂 静止时不沉降，而振 摇时易于倾倒。
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
流变学基础
第十四章
流变学基础
§14-1
一、流变学的基本概念
1、流变学的研究内容
概述
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。
பைடு நூலகம்
引起变形的作用力F，除以力作用的面积A 称为应力（stress，S），S=F/A。
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。 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。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。
S=F/A=ηD
或
D=S/η
根据公式得知牛顿流体的剪切速度D与 剪切应力S之间呈直线关系，且直线经过原 点。
这时直线斜率的倒数表示粘度，粘度与 剪切速度无关。 只要温度一定，粘度就一定。
（二）非牛顿流动
流体的粘度随着切变速度的变化而变化， 出现这些偏差的流体称为非牛顿流体，如乳 剂、混悬剂、高分子溶液、胶体溶液、软膏 剂以及固-液的不均匀体系均属此类。
3、胀性流动 与假塑性流动相反，流动曲线经过原点， 且随着剪切应力的增加其粘性也随之增大，表 现为向上突起的曲线称为胀性流动曲线。
（三）触变流动
对有些制剂，如普鲁卡因、青霉素注射 液或某种软膏剂进行搅拌时，粘度下降，流 体易于流动；但放置一段时间后，又恢复原 来的粘性。
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（thixlotropy）。
2、剪切应力与剪切速度 用剪刀剪一薄片，在断开前的变形称为剪 切。推一叠扑克牌时，边缘出现剪切变形。 假设流体是由无限薄的液层组成，当一应 力作用于顶层时，任何液体都有一种对抗改变 其形状的力量，当液体相邻两层间作相对运动 时所产生的内摩擦力即粘度，换言之粘度系指 流体对流动的阻抗能力。
流变学基础
§14-1
一、流变学的基本概念
1、流变学的研究内容
概述
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。
பைடு நூலகம்
引起变形的作用力F，除以力作用的面积A 称为应力（stress，S），S=F/A。
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。 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。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。
S=F/A=ηD
或
D=S/η
根据公式得知牛顿流体的剪切速度D与 剪切应力S之间呈直线关系，且直线经过原 点。
这时直线斜率的倒数表示粘度，粘度与 剪切速度无关。 只要温度一定，粘度就一定。
（二）非牛顿流动
流体的粘度随着切变速度的变化而变化， 出现这些偏差的流体称为非牛顿流体，如乳 剂、混悬剂、高分子溶液、胶体溶液、软膏 剂以及固-液的不均匀体系均属此类。
3、胀性流动 与假塑性流动相反，流动曲线经过原点， 且随着剪切应力的增加其粘性也随之增大，表 现为向上突起的曲线称为胀性流动曲线。
（三）触变流动
对有些制剂，如普鲁卡因、青霉素注射 液或某种软膏剂进行搅拌时，粘度下降，流 体易于流动；但放置一段时间后，又恢复原 来的粘性。
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（thixlotropy）。
2、剪切应力与剪切速度 用剪刀剪一薄片，在断开前的变形称为剪 切。推一叠扑克牌时，边缘出现剪切变形。 假设流体是由无限薄的液层组成，当一应 力作用于顶层时，任何液体都有一种对抗改变 其形状的力量，当液体相邻两层间作相对运动 时所产生的内摩擦力即粘度，换言之粘度系指 流体对流动的阻抗能力。
流变学基础
8
1.2
流变学的研究内容
聚合物流变学研究对象是聚合物流体和固体 聚合物流体包括高聚物溶液和熔体
聚合物溶液又分为稀溶液和浓溶液
1.2.1 流变性质 流变性质包括： 粘度 粘弹性（蠕变、应力松弛）
稀溶液的粘性
熔体粘性等 所有这些流变性质都依赖于切变速率、分子量、聚合物的结构、 各种添加剂的浓度以及温度。
流 变 学 基 础
主讲人 马艳玲
1
流 变 学 基 础
Chapter 1 流变学绪论 Chapter 2 高聚物流变行为特性
Chapter 3 线性粘性流动和高聚物熔体的流动
Chapter 4 流变测定 Chapter 5 流变学基本方程 Chapter 6 高聚物的流变断裂 Chapter 7 高聚物流变学的应用
1.3 流变学的研究方法
德国毛细管流变仪 Rheograph25 ——High Piston Force 25 KN， 120kN
120
12
1.3 流变学的研究方法
1.3.4 蠕变、应力松弛和动力实验 ——对粘弹性材料的实验方法
1.3.5 门尼粘度仪 ——橡胶分析仪
13
流变实例：
●大豆蛋白-粘胶共混流体的流变性能 ●海藻酸钠/羧甲基壳聚糖纺丝溶液的流变性能 ●简单剪切流场中PTT熔体的流变性能研究Fra bibliotek211.4
研究流变学的意义
（2）了解流变学有助于对各种成型设备中的聚合物流体力学进行 理论分析 对各种成型设备中的聚合物的流体力学进行理论分析时，必须
有一个流变模型(亦即本构方程)。在设计较好的加工设备和确定
最佳加工条件和工艺方面，理论研究是很有价值的。
22
1.4 研究流变学的意义
流变学基础
第三节流变性测定法
黏性是液体最主要的流变性性质 测定方法有两种： 一：静止测定法：只适合牛顿流体；可用具有一定D或不同D
的粘度计测定，如毛细管式、落球式、旋转粘度计。
二：转动测定法，对高分子溶液的粘度的化依赖于D。须用 可测得不同D的粘度计。如旋转式粘度计。
（1）毛细管粘度计—牛顿流体
不能调节剪切速度，仅能测定牛顿流体。 对高聚物的稀溶液、低粘度的液体的测定很方便。 平氏粘度计测定运动或动力粘度、乌氏粘度计测定特性粘 度（参考药典）
滑移而变形的单位面积上的力(N/m2)。
S F A
剪切应力与剪切速度
由于液层各层的速度不同，便形成速 度梯度dv/dx，或称剪切速度（切变 速度，D）。
S dv D
dx
D S
第二节 流体的基本性质
Hale Waihona Puke 牛顿流动基本特征 剪切应力S与剪切速度D成
正比
非牛顿流体
剪切应力S与剪切速度D 不成正比
粘度特征 粘度与剪切速度无关，只 粘度随着剪切速率的变
药剂学中的流变学性质：弹性、黏性、硬度、粘弹性、屈服 值、触变性等。其在混悬剂、乳剂、软膏剂、凝胶剂、巴 布剂等剂型中得到广泛的应用。
流变学的基本概念
内应力 ： 变形：变形是固体的固有性质。 弹性变形、塑性变形： 黏性 塑性： 屈服值： 粘弹性
剪切应力与剪切速度
剪切应力（S，剪切力）：引起材料沿平行于作用力的平面产生
三、触变性
随着S增大，粘度下降，S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（一触即变）。
触变性是流体结构可逆转变的现象，凝胶-溶胶-凝胶，可 有pH、温度等诱发。
影响触变性的因素
pH、温度、浓度、聚合物联用、离子、其他辅料
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10s-1 10s-1 10s-1
0s-1
5s-1
10s-1
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
杯和转子的不利之处
应力 = 屈服应力 + 塑性粘度 x 剪切速率
y
y = c + mx
测量屈服应力
剪切应力
剪切应力
时间
时间
线性扫描 (Bohlin 屈服应力测试)
步阶蠕变测试
浆料的屈服应力测量
瞬时粘度
Yield Stress
剪切应力
多步蠕变测量
3Pa 柔量, J
2Pa
1Pa
时间
触 变 性
• 例如：油漆 – 贮藏期间，需要象固体一样防止沉淀
– 刷涂时，需要象液体以便在刷毛中流动，并 且刷涂均匀。
动态测量
施加 应变 或 应力 测量 应力 或 应变
时间
相位角
动态测量测得的参数
• 应力 • 应变
转动的力/面积 相对形变
Pa -
• 相位角
• 频率
施加信号和测量信号的位相 滞后 Rads or °
• 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
屈服应力
流变学家的定义 和 非流变学家的定义
流变学家的定义
当应力小于某一值时没有流动发生 ，这个应力被称为屈服应力 (最小应力通常是重力)
屈服应力
剪切应力
没有流动，直到施加了 某一剪切应力
剪切速率
非流变学家的定义
Force, F
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
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
Hysteresis Loop (触变环)
应力
Area
剪切速率
Pre-shear Creep 法
应力
时间 预剪切 蠕变
结构
时间
蠕变结果
Pre-Shear Oscillation 法
G’
Critical Time
G”
粘 弹 性
粘 弹 性
• 很多工业材料展示出了粘性-弹性（viscoelasticity）， 在一些加工中它们的行为象粘性 液体，而在另外一些场合它们的行为象弹性固 体。
（触变环） • Pre-shear Creep 好
不理想
• Pre-shear Oscillation 好
pre-shear creep和 pre-shear oscillation 能更加贴近的模拟应用中 发生的行为
Hysteresis Loop (触变环)
应力
Up Ramp
Down Ramp
剪切速率
触变行为
• 触变性:
与时间相关 的剪切变稀 行为 • 例如：奶油冻是冻状物 ，
– 搅拌时，变成液体 – 停止搅拌，静置数小时 后又结成冻状
触变行为之基础
触 变 性
• 如果想得到可重复的结果，认识它很重 要 • 对于某些应用的定量很重要，如：油漆 在结构重建前的流动
触变性测量
• Hysteresis Loops
北京正通远恒科技有限公司
地址：北京市朝阳区胜古北路甲3号210室 邮编：100029 电话：（010）64415767，64426982 传真：（010）64425485 网址： E-MAIL: info@
1e+06 1e+05 1e+05 1e+03 1e+03 1e+03 1e+02 1e+02 1e-01 1e-01 1e-04
流 变 测 量
模拟应用工艺 (短期)Leabharlann 微观结构信息 (长期)剪切粘度
粘度 = 剪切应力 剪切速率
• 单位:
– Pascal second - Pas (SI) – Poise - P (CGS)
应力松弛测量
G 松弛模量 (Pa)
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
应力松弛 / 低剪切 - 1
• • • •
测试条件：LDPE （190°C， 25mm 平行板 松弛谱 （根据Alfrey法则计算得到） 主要松弛时间： ~75ms 零剪切粘度： ~97kPas
Force, F Constant velocity, v h
剪切速率
• 应变（ STRAIN ）的变化速率称为剪切应变速 率（shear strain rate）或剪切速率（SHEAR RATE）
剪切速率 = d 应变 d 时间
• 因为应变（strain）没有单位，所以剪切速率的 单位是1/秒 (S-1)
相位角是弹性的量度
相位角越大，材料粘 性越大 相位角越小，材料弹 性越大
动态测量计算得到的参数
• 储能 (弹性) 模量, G’
• 损耗 (粘性) 模量, G” • 复数模量, G*
= 应力 x Cos (相位角) 应变
= 应力 x Sin (相位角) 应变 = 应力 应变
• 复数粘度, *
平行板
• 近乎理想:
– 易于清洁
– 易于设置间隙
– 间隙可变
– 可能获得高剪切 速率
平行板的不利之处
• 剪切速率在边缘 最大，在中心点 等于零 • 溶剂产生挥发
0 5 10s-1
锥板
• 近乎理想: – 易于清洁 – 易于设置速率 – 整个间隙中，剪 切速率恒定 – 绝对的粘度结果 ！
锥和板
• 对于平行板，剪切 速率在边缘最大， 在中心点等于零 • 对于锥板，整个样 品上的剪切速率都 是恒定的- 如果间 隙正确!
参考文献
A basic introduction to rheology; Bohlin Instruments. Viscoelastic properties of polymers; J D Ferry. John Wiley & Sons. ISBN: 0-471-04894-1 An introduction to rheology; H A Barnes, J F Hutton, K Walters. Elsevier. ISBN: 0-444-87469-0
H
剪切应变变形
在上端面施加一个力，该力就产生一个形变 Force, F
剪切应变变形
在上端面施加一个力，该力就产生一个形变
Force, F
剪切应变变形
在上端面施加一个力，该力就产生一个形变 Force, F
剪切应变变形
在上端面施加一个力，该力就产生一个形变
du Force, F
h
（剪切应变）Shear Strain = du / h
理想粘性材料的相位角
零应力产生零应变
理想粘性材料的相位角
当应力增加时，样品加速
理想粘性材料的相位角
当应力减少时，样品减速并达到最大应变
理想粘性材料的相位角
当应力负增加时，样品在负方向上加速
理想粘性材料的相位角
当应力回到零时，样品减速并达到最大负应变
理想粘性材料的相位角
应力和应变相位差 90° 因此相位角等于 90°
生产和应用中典型的剪切速率
工艺 最小剪切速率 (1/s) 最大剪切速率 (1/s)
• • • • • • • • • • •
反向印刷 喷溅 刮涂 混合/搅拌 刷涂 泵输送 挤出 幕式淋涂 流平 挂流 沉降
1e+05 1e+04 1e+03 1e+01 1e+01 1e+00 1e+00 1e+00 1e-02 1e-02 1e-06
• 回复
– 撤去施加的应力 – 监测可恢复的应变 (negative twist) – 测量总弹性
模型模拟
蠕变 回复
Burgers Model
柔量, J (1/Pa)
Joc
J0r Jdsome Jd
Jg
时间
Jg
蠕变测量
Maxwell Model Kelvin/Voigt Model
四川大学流变应用培训
英国Bohlin仪器公司 北京正通远恒科技有限公司
第一部分： 流变学基础
1.流变基础知识 2.流变测量知识
典型流变系统
介
绍
• • • •
流变学定义 剪切速率和应用 测量系统的选择 基本流变测量
流变学定义
‘ 流动和变形的科学 ’
剪切应变变形
想象一个放置在固定面上的类似橡胶状材料的立方体
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
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
0s-1
5s-1
10s-1
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
杯和转子的不利之处
应力 = 屈服应力 + 塑性粘度 x 剪切速率
y
y = c + mx
测量屈服应力
剪切应力
剪切应力
时间
时间
线性扫描 (Bohlin 屈服应力测试)
步阶蠕变测试
浆料的屈服应力测量
瞬时粘度
Yield Stress
剪切应力
多步蠕变测量
3Pa 柔量, J
2Pa
1Pa
时间
触 变 性
• 例如：油漆 – 贮藏期间，需要象固体一样防止沉淀
– 刷涂时，需要象液体以便在刷毛中流动，并 且刷涂均匀。
动态测量
施加 应变 或 应力 测量 应力 或 应变
时间
相位角
动态测量测得的参数
• 应力 • 应变
转动的力/面积 相对形变
Pa -
• 相位角
• 频率
施加信号和测量信号的位相 滞后 Rads or °
• 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
屈服应力
流变学家的定义 和 非流变学家的定义
流变学家的定义
当应力小于某一值时没有流动发生 ，这个应力被称为屈服应力 (最小应力通常是重力)
屈服应力
剪切应力
没有流动，直到施加了 某一剪切应力
剪切速率
非流变学家的定义
Force, F
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
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
Hysteresis Loop (触变环)
应力
Area
剪切速率
Pre-shear Creep 法
应力
时间 预剪切 蠕变
结构
时间
蠕变结果
Pre-Shear Oscillation 法
G’
Critical Time
G”
粘 弹 性
粘 弹 性
• 很多工业材料展示出了粘性-弹性（viscoelasticity）， 在一些加工中它们的行为象粘性 液体，而在另外一些场合它们的行为象弹性固 体。
（触变环） • Pre-shear Creep 好
不理想
• Pre-shear Oscillation 好
pre-shear creep和 pre-shear oscillation 能更加贴近的模拟应用中 发生的行为
Hysteresis Loop (触变环)
应力
Up Ramp
Down Ramp
剪切速率
触变行为
• 触变性:
与时间相关 的剪切变稀 行为 • 例如：奶油冻是冻状物 ，
– 搅拌时，变成液体 – 停止搅拌，静置数小时 后又结成冻状
触变行为之基础
触 变 性
• 如果想得到可重复的结果，认识它很重 要 • 对于某些应用的定量很重要，如：油漆 在结构重建前的流动
触变性测量
• Hysteresis Loops
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地址：北京市朝阳区胜古北路甲3号210室 邮编：100029 电话：（010）64415767，64426982 传真：（010）64425485 网址： E-MAIL: info@
1e+06 1e+05 1e+05 1e+03 1e+03 1e+03 1e+02 1e+02 1e-01 1e-01 1e-04
流 变 测 量
模拟应用工艺 (短期)Leabharlann 微观结构信息 (长期)剪切粘度
粘度 = 剪切应力 剪切速率
• 单位:
– Pascal second - Pas (SI) – Poise - P (CGS)
应力松弛测量
G 松弛模量 (Pa)
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
应力松弛 / 低剪切 - 1
• • • •
测试条件：LDPE （190°C， 25mm 平行板 松弛谱 （根据Alfrey法则计算得到） 主要松弛时间： ~75ms 零剪切粘度： ~97kPas
Force, F Constant velocity, v h
剪切速率
• 应变（ STRAIN ）的变化速率称为剪切应变速 率（shear strain rate）或剪切速率（SHEAR RATE）
剪切速率 = d 应变 d 时间
• 因为应变（strain）没有单位，所以剪切速率的 单位是1/秒 (S-1)
相位角是弹性的量度
相位角越大，材料粘 性越大 相位角越小，材料弹 性越大
动态测量计算得到的参数
• 储能 (弹性) 模量, G’
• 损耗 (粘性) 模量, G” • 复数模量, G*
= 应力 x Cos (相位角) 应变
= 应力 x Sin (相位角) 应变 = 应力 应变
• 复数粘度, *
平行板
• 近乎理想:
– 易于清洁
– 易于设置间隙
– 间隙可变
– 可能获得高剪切 速率
平行板的不利之处
• 剪切速率在边缘 最大，在中心点 等于零 • 溶剂产生挥发
0 5 10s-1
锥板
• 近乎理想: – 易于清洁 – 易于设置速率 – 整个间隙中，剪 切速率恒定 – 绝对的粘度结果 ！
锥和板
• 对于平行板，剪切 速率在边缘最大， 在中心点等于零 • 对于锥板，整个样 品上的剪切速率都 是恒定的- 如果间 隙正确!
参考文献
A basic introduction to rheology; Bohlin Instruments. Viscoelastic properties of polymers; J D Ferry. John Wiley & Sons. ISBN: 0-471-04894-1 An introduction to rheology; H A Barnes, J F Hutton, K Walters. Elsevier. ISBN: 0-444-87469-0
H
剪切应变变形
在上端面施加一个力，该力就产生一个形变 Force, F
剪切应变变形
在上端面施加一个力，该力就产生一个形变
Force, F
剪切应变变形
在上端面施加一个力，该力就产生一个形变 Force, F
剪切应变变形
在上端面施加一个力，该力就产生一个形变
du Force, F
h
（剪切应变）Shear Strain = du / h
理想粘性材料的相位角
零应力产生零应变
理想粘性材料的相位角
当应力增加时，样品加速
理想粘性材料的相位角
当应力减少时，样品减速并达到最大应变
理想粘性材料的相位角
当应力负增加时，样品在负方向上加速
理想粘性材料的相位角
当应力回到零时，样品减速并达到最大负应变
理想粘性材料的相位角
应力和应变相位差 90° 因此相位角等于 90°
生产和应用中典型的剪切速率
工艺 最小剪切速率 (1/s) 最大剪切速率 (1/s)
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反向印刷 喷溅 刮涂 混合/搅拌 刷涂 泵输送 挤出 幕式淋涂 流平 挂流 沉降
1e+05 1e+04 1e+03 1e+01 1e+01 1e+00 1e+00 1e+00 1e-02 1e-02 1e-06
• 回复
– 撤去施加的应力 – 监测可恢复的应变 (negative twist) – 测量总弹性
模型模拟
蠕变 回复
Burgers Model
柔量, J (1/Pa)
Joc
J0r Jdsome Jd
Jg
时间
Jg
蠕变测量
Maxwell Model Kelvin/Voigt Model
四川大学流变应用培训
英国Bohlin仪器公司 北京正通远恒科技有限公司
第一部分： 流变学基础
1.流变基础知识 2.流变测量知识
典型流变系统
介
绍
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流变学定义 剪切速率和应用 测量系统的选择 基本流变测量
流变学定义
‘ 流动和变形的科学 ’
剪切应变变形
想象一个放置在固定面上的类似橡胶状材料的立方体
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
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