胶体化学第8章 流变学.ppt

第8章 流变学 8.1 黏 度 8.2 粘度的测定 8.3 流 型 8.4 塑性体系 8.5 假塑性体系 8.6 胀性体系 8.7 非牛顿体系的测定 8.8 触变性体系 8.9 粘弹性 8.10 降膜阻效应 新配制的淀粉悬浮体，时间放得愈久胀性愈显著，这是淀粉粒子逐渐膨胀，使分散相体积增大的缘故。一些无机固体粉末，如二氧化钛、硫酸钡、碳黑、氧化锌等的有机溶剂的悬浮体，它们的性质正好相反，胀性随时间老化而减少。这可能是有机液体与上述无机粒子相混时带人了一些表面上吸附的空气，聚集的粒子体积要比原有体积大，放置一段时间后固体有效体积变小，因此胀性减弱。 粒子形状的影响可用淀粉和氧化铁为例，淀粉的粒子是圆形的，欲得胀性流型需要40％以上的浓度，氧化铁粒子是长方形的，流动时粒子能转动，其有效体积大于实有体积，因此只要11％～12％的浓度就有胀性流型出现。 至于粒子大小的影响，实验结果并不一致，例如SiO2粉末的悬浮体，粒子较大时(1～5μm)胀性显著，粒子小时反而不显著。而粘土的实验结果恰好相反，大颗粒粘土在很大浓度范围内胀性很弱，但小颗粒的粘土在很狭浓度范围内表现出强烈的胀性流型。 目前对胀性体系性质的认识还很肤浅。但这些性质在工业生产中确有很重要的意义。例如，在钻井时所用泥浆，如出现很强的胀性时，就会发生严重卡钻事故。 测定上述各种流型的方法很多，所用仪器也是各种各样的，这里仅介绍用转筒式粘度计和毛细管粘度计的测定方法，因为这两种仪器可以比较典型地反映各种流型的性质。特别是转筒式粘度计虽然构造比较复杂，但用之测定流型的特性却十分适宜。现将各种流型的测定方法介绍如下。 1．塑性体系 (1)转筒式粘度计 要研究非牛顿体系的流变性质，首要条件是要求图8-6的转筒式粘度计的外筒转动能变速，变速方法可用齿轮换档，也可用直流电动机无级调速。若外筒半径为Rb，内筒半径为Ra，当外筒转动时，在两个筒表面上所受的切力分别为 式中，T为粘性力矩，可在内筒扭丝上测得，L为液体浸没内筒的高度，若在两筒间的液体以层流形式出现，在半径为r处的角速度是ω，切力为 τ。因为D=f(r)，得 (8-7.1) 已知边界条件是 或 用转筒式粘度计测定塑性体系有三种情况。 ①当τafB，即内筒面切力小于动切力，在两筒间液体不流动，所以各流线层的叫均为零。 ②当τa≥fB时，在内筒表面上开始流动，随着τa增大，流动部分向外侧扩大，在外筒面上没有流动，从层流到塞流之间有一分界面，如图8—13。从分界面到圆心的距离为τc，称临界半径，其定义为 此方程式表明层流范围大小决定于fB的值。τc外侧部分不流动，在τc处的切力与fB相等。 ③当τafB,外筒面处也在流动，在两筒间的全部流体呈流动状态，则 或 上式是塑性流体在转筒式粘度计中的基本公式称Reiner—Riwlin公式 当fB=0时，就变为适用牛顿流体的Margulus公式，即式(8-2.5)。 不同转速下测定体系的切力，用Ω对T作图，可得塑性体系的流变曲线，如图8-14所示。图中直线部分的斜率为 由式(8-2.6)知 K是仪器常数，则直线部分的斜率为 由图8-14中可见，延长直线部分，与T轴相交的截矩为T2。在相交点上Ω=0，所以由Ω式得 上式虽然只代表塑性体系的直线部分，然而它和式(8-7.1)对于塑性体系是十分有用的，因为从这两式可以得到η塑和fB这两个重要参数。 令C为另一仪器常数，它的定义为 即 Reiner—Riwlin方程式也可以表示为 (8-7.1) (2)毛细管粘度计 用毛细管粘度计研究塑性体系比较麻烦，需要选择合适的毛细管，还要变换毛细管两端的压力差p，每次测定时的压力差必须恒定，流量必须十分精确。用单位时间流量Q／t与毛细管两端压力差p作图，得到图8-15的流变曲线。 用毛细管粘度计测定流变曲线有两种型式：加压型和减压型。图8-16是一种简单减压型毛细管粘度计。在测定时，按图的样子安装好，把试料按规定量放入储存试料的圆管里，并保持恒温。关闭活塞1，用真空泵抽去气箱里的气体，使其减至一定压力。关闭活塞2，读取压力计示值H，然后打开活塞1，测定试料流入测定球A内，经b到a所需时间t，就可求得粘度。 现在对非牛顿型流体在毛细管中的流动进行讨论。假设在离毛细管的中心轴的距离为r的圆筒面上，作用在此面上的粘性力(即切力)为τ，在整个圆筒面上的力是2πrLτ，外界对毛细管的作用力为πr2p。如果管内的流动为稳流，则 由此式可知，切力与离毛细管中心轴的距离成正比，