流变学基础

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。 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。
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。
（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，放臵一段时间以后，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。
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 臵成为新的空穴后，又让后面的分子跃入，从而 形成了液体的宏观流动。

（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。
假塑性流体的结构变化示意图
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 ， 1 P= 0.1N· S · m-2，SI 单 位 中 粘 度 用 Pa· S或 Kg/(m· s)表示。粘度系数除以密度ρ得的值ν（ν =η/ρ）为 动力粘度（SI单位为㎡/S）。
下表中表示常用的各种液体在20℃条件下的粘度
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）。
表征体系流变性质的两个基本参数：
u y 1. 在单位液层面积（A）上施加的使 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。

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。


（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：
（厘泊秒）。
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。
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。
补充：
流变学基础
第一节
一．流变学的基本概念
概
述
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 的内力称为应力（Stress）（如橡胶）。
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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 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。
三.粘弹性(Viscoelasticity)
D
S S0

(b)塑性流动
η——塑性粘度；σ0——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。
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）。
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。
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： （一）麦克斯韦尔（Maxwell）模型 （二）福格特（Voigt）模型 （三）双重粘弹性模型
（四）多重粘弹性模型
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，而且随时间变化，此现象称为蠕变性。
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。