流变学概述
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当对普鲁卡因、青霉素注射液或某种软膏剂进行搅拌时 ，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（thixlotropy）。
（e）触变流动
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。
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
也就是狭义的弹性叫胡克弹性或线性弹性
完全流体
• 粘度为零的流体。其特点是只要有微小 的外力，就会产生无限大的流动。这是 一种理论形态，实际材料中不存在完全 流体。
牛顿流体
• 流体的特点是任何微小都能引起不可逆的流动或永久 的塑性变形.实际流体是具有粘度的,如果流体流动的剪 切应力与其应变速率之间呈线性关系,即满足下式:
什么是流变学？ Rheology
• • • • rheo – to flow logos – science ology – the study of is the study of the flow of materials that behave in an interesting or unusual manner. • Unusual materials such as mayonnaise, peanut butter, chocolate, bread dough, paints, inks, road building aterials, cosmetics, dairy products, etc.
表征体系流变性质的两个基本参数：
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（sheari g force）,单位为N/m2，以S表示。 2.剪切速度（rate of shear）， 单位为S-1，以D表示。
二、剪切应力与剪切速率
• 剪切速度：由于各层的速度不同， 便形成速度梯度du/dy，称剪切 速度，用D表示。 • 剪切力：使各液层间产生相对运 动的外力 。 • 剪切应力：在单位液层面积（A） 上所需施加的这种力称为剪切应 力，用S表示。
“Everything Flows” 万物皆流 ——Heraclitus (赫拉克利特, 纪元前五
世纪的希腊哲学家)
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。主要与固体的性 质相关。
对固体施加外力，则固体内部存在一种与外 力相对抗的内力使固体恢复原状。此时在单位 面积上存在的内力称为应力（Stress）。
什么是流变学？
流变学是物理学的一个分支，是主要研究材料在外界作用(应力、应变、
温度、电场、磁场、辐射等)下的变形和流动的科学
Rheology is “ the study of the flow and deformation of all forms of
matter.”——E. C. Bingham, M. Reiner Apr. 29th, 1929
Leabharlann Baidu
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）塑性流动(plastic flow) 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 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伏值S0：
触变性的测定可以通过计算滞后环状曲线所包围的 面积，推测由触变流动而产生的结构的破坏和恢复原 来状态的程度。通过这种方法可以控制制剂的特性和 产品的质量。
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，而且随时间变化，此现象称为蠕变性。
流变学的产生，采用流变性仪器就可以在施加非常宽的应力范围，非常
宽的频率谱内研究固体的粘性和流体的弹性
流变学发展小故事
第一节
二．流变学的基本概念
概
述
流变学 —— 来源于希腊，由 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。
（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。
（d）胀性流动
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、胀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、触 变性胀性液体。
其流动曲线的特性表现为剪切应力的下降曲线，并 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，用同一个S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。即所谓的触变性 是施加应力使其流体产生流动时，流体的流动性暂时 性增加。
性发展
流体在流动时，存在着流体与固体表面的附着力和流体内部分子间的作
用，流体不断发生剪切变形，流体的粘滞性就是流体抵抗剪切变形的能 力，简称流体的粘性
粘度是流体粘滞性的度量，用以描述流动时的内摩擦大小，也就是说流
体内部分子间作用力越大，流体的粘滞性越大，流动时内摩擦越大，流 体粘度也就越大
非牛顿流体
• (1-2) • 式中: -剪切应力, -应变速率, -粘度 • 满足上式的流体称为牛顿流体,其粘度也称为牛顿粘度, 牛顿流体也称为线性流体。 • 一般低分子流体一般是牛顿流体，浓度非常低的聚合 物溶液也可以近似作为牛顿流体。
.
牛顿粘性
粘度为一常数的流体称为牛顿流体，应力正比于应变，应变随时间成线
E
胡克弹性
1678年，胡克假定“任何一根弹簧的力与由此产生的伸长成正比”即胡
克弹性定律
胡克定律表示材料在受力时应力与应变之间存在线性关系，线性弹性也
称胡克弹性
在物体上施加外力，产生瞬时变形，除去外力，变形立即消失，这种与
时间无关的变形称为弹性变形，物体具有弹性变形的性质称物体的弹性，
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 deformation）。 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（Viscosity）。 流动也视为一种非可逆性变形过程。
49
第二节
一．牛顿流动
流变性质
牛顿粘度定律：纯液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。
F S D A
或
1 D S
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 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）。
• 对不满足牛顿定律的流体，称为非牛顿流体，也叫非 线性流体。 • 绝大多数聚合物浓溶液、熔体是非牛顿流体。
山，经历长久的地质年代可发生流动；水，在突然 施加暂短外力的情况下可表现为弹性体。这些现象 说明，物质本身固有的弹性和粘性这一对内在性质， 因外界力的作用时间而相互转化。实质上，这种弹 性和粘性是组成物体的诸质点之间相对运动的表现。 流变力学就在于回答：当外界作用的历程和参数为 已知时，在某一瞬间物体中某一点的应力和应变是 怎样的？
流变学
概述
一.材料的流变学特性
材料的几种力学形态： 刚体： 在外力作用下不变形的物体。其特 点是应力时，应变 0。 刚体是一种理论形态，在理论力学 中用来作力学和运动学分析，实际材料 中并不存在。
• 线弹性体 线弹性体遵从虎克定律 (1-1) 式中：－应力，－应变，E－弹性模量 对于金属等结晶材料，在弹性极限内， 就可以视为线弹性体
• 实际材料的变形过程：
• 流动+变形
粘性和弹性的转化
传统观念中，固体毫无疑问是弹性的，流体是粘性的，然而他们却是材
料属性不可分割的两部分，相互依存，相互转化
粘弹体在外力作用下哪一种性质占优势，依赖于应力和施加应力的持久
性，在一个实验中，假若实验相对缓慢，样品似乎呈现粘性而不是弹性， 但是假若实验相对较快，似乎呈现弹性而不是粘性，在中等时间标度， 观察到混合（粘弹性）响应
下表中表示制剂研究中常用的各种液体在20℃条件
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。
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。 • 在制剂中表现为塑性流动的剂型有浓度较高的乳剂和混悬 剂。
（二）假塑性流动（pseudoplastic flow）
随着S值的增大粘度下降的流动现象称为假塑性流动。
D 1
a
S (n 1)
n
（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。 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。
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， 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，流动曲 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。
（四）触变流动(thixotropic flow)
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。
第二节
流变学产生与发展
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。 u y
（e）触变流动
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。
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
也就是狭义的弹性叫胡克弹性或线性弹性
完全流体
• 粘度为零的流体。其特点是只要有微小 的外力，就会产生无限大的流动。这是 一种理论形态，实际材料中不存在完全 流体。
牛顿流体
• 流体的特点是任何微小都能引起不可逆的流动或永久 的塑性变形.实际流体是具有粘度的,如果流体流动的剪 切应力与其应变速率之间呈线性关系,即满足下式:
什么是流变学？ Rheology
• • • • rheo – to flow logos – science ology – the study of is the study of the flow of materials that behave in an interesting or unusual manner. • Unusual materials such as mayonnaise, peanut butter, chocolate, bread dough, paints, inks, road building aterials, cosmetics, dairy products, etc.
表征体系流变性质的两个基本参数：
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（sheari g force）,单位为N/m2，以S表示。 2.剪切速度（rate of shear）， 单位为S-1，以D表示。
二、剪切应力与剪切速率
• 剪切速度：由于各层的速度不同， 便形成速度梯度du/dy，称剪切 速度，用D表示。 • 剪切力：使各液层间产生相对运 动的外力 。 • 剪切应力：在单位液层面积（A） 上所需施加的这种力称为剪切应 力，用S表示。
“Everything Flows” 万物皆流 ——Heraclitus (赫拉克利特, 纪元前五
世纪的希腊哲学家)
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。主要与固体的性 质相关。
对固体施加外力，则固体内部存在一种与外 力相对抗的内力使固体恢复原状。此时在单位 面积上存在的内力称为应力（Stress）。
什么是流变学？
流变学是物理学的一个分支，是主要研究材料在外界作用(应力、应变、
温度、电场、磁场、辐射等)下的变形和流动的科学
Rheology is “ the study of the flow and deformation of all forms of
matter.”——E. C. Bingham, M. Reiner Apr. 29th, 1929
Leabharlann Baidu
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）塑性流动(plastic flow) 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 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伏值S0：
触变性的测定可以通过计算滞后环状曲线所包围的 面积，推测由触变流动而产生的结构的破坏和恢复原 来状态的程度。通过这种方法可以控制制剂的特性和 产品的质量。
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，而且随时间变化，此现象称为蠕变性。
流变学的产生，采用流变性仪器就可以在施加非常宽的应力范围，非常
宽的频率谱内研究固体的粘性和流体的弹性
流变学发展小故事
第一节
二．流变学的基本概念
概
述
流变学 —— 来源于希腊，由 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。
（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。
（d）胀性流动
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、胀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、触 变性胀性液体。
其流动曲线的特性表现为剪切应力的下降曲线，并 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，用同一个S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。即所谓的触变性 是施加应力使其流体产生流动时，流体的流动性暂时 性增加。
性发展
流体在流动时，存在着流体与固体表面的附着力和流体内部分子间的作
用，流体不断发生剪切变形，流体的粘滞性就是流体抵抗剪切变形的能 力，简称流体的粘性
粘度是流体粘滞性的度量，用以描述流动时的内摩擦大小，也就是说流
体内部分子间作用力越大，流体的粘滞性越大，流动时内摩擦越大，流 体粘度也就越大
非牛顿流体
• (1-2) • 式中: -剪切应力, -应变速率, -粘度 • 满足上式的流体称为牛顿流体,其粘度也称为牛顿粘度, 牛顿流体也称为线性流体。 • 一般低分子流体一般是牛顿流体，浓度非常低的聚合 物溶液也可以近似作为牛顿流体。
.
牛顿粘性
粘度为一常数的流体称为牛顿流体，应力正比于应变，应变随时间成线
E
胡克弹性
1678年，胡克假定“任何一根弹簧的力与由此产生的伸长成正比”即胡
克弹性定律
胡克定律表示材料在受力时应力与应变之间存在线性关系，线性弹性也
称胡克弹性
在物体上施加外力，产生瞬时变形，除去外力，变形立即消失，这种与
时间无关的变形称为弹性变形，物体具有弹性变形的性质称物体的弹性，
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 deformation）。 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（Viscosity）。 流动也视为一种非可逆性变形过程。
49
第二节
一．牛顿流动
流变性质
牛顿粘度定律：纯液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。
F S D A
或
1 D S
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 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）。
• 对不满足牛顿定律的流体，称为非牛顿流体，也叫非 线性流体。 • 绝大多数聚合物浓溶液、熔体是非牛顿流体。
山，经历长久的地质年代可发生流动；水，在突然 施加暂短外力的情况下可表现为弹性体。这些现象 说明，物质本身固有的弹性和粘性这一对内在性质， 因外界力的作用时间而相互转化。实质上，这种弹 性和粘性是组成物体的诸质点之间相对运动的表现。 流变力学就在于回答：当外界作用的历程和参数为 已知时，在某一瞬间物体中某一点的应力和应变是 怎样的？
流变学
概述
一.材料的流变学特性
材料的几种力学形态： 刚体： 在外力作用下不变形的物体。其特 点是应力时，应变 0。 刚体是一种理论形态，在理论力学 中用来作力学和运动学分析，实际材料 中并不存在。
• 线弹性体 线弹性体遵从虎克定律 (1-1) 式中：－应力，－应变，E－弹性模量 对于金属等结晶材料，在弹性极限内， 就可以视为线弹性体
• 实际材料的变形过程：
• 流动+变形
粘性和弹性的转化
传统观念中，固体毫无疑问是弹性的，流体是粘性的，然而他们却是材
料属性不可分割的两部分，相互依存，相互转化
粘弹体在外力作用下哪一种性质占优势，依赖于应力和施加应力的持久
性，在一个实验中，假若实验相对缓慢，样品似乎呈现粘性而不是弹性， 但是假若实验相对较快，似乎呈现弹性而不是粘性，在中等时间标度， 观察到混合（粘弹性）响应
下表中表示制剂研究中常用的各种液体在20℃条件
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。
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。 • 在制剂中表现为塑性流动的剂型有浓度较高的乳剂和混悬 剂。
（二）假塑性流动（pseudoplastic flow）
随着S值的增大粘度下降的流动现象称为假塑性流动。
D 1
a
S (n 1)
n
（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。 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。
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， 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，流动曲 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。
（四）触变流动(thixotropic flow)
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。
第二节
流变学产生与发展
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。 u y