陈经理 18117403825
（一）、流变学基本概念
1.1 流变学研究的内容
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流动和变形的一门科学。
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。
变形是固体的主要性质之一，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）。
实际上，多数物质对外力表现为弹性和粘性双重特性，我们称之为粘弹性，具有这种特性的物质我们称之为粘弹性物质。
1.2 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由若干互相平行移动的液层所组成的，液层之间没有物质交换，这种流动方式叫层流，如图 1。由于各层的速度不同，便形成速度梯度 dv/dh，或称剪切速率。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（Shear Stress），单位为 N·m-2，即 Pa，以 τ 表示。剪切速度（Shear Rate），单位为 s-1，以表示。剪切速率与剪切应力是表征体系流变性质的两个基本参数。
1.3 粘度
粘度是反应物质流动时内摩擦大小的物理量；根据测量方法的不同，粘度通常有多种表示方法，比如我们最常用的动力学粘度和运动粘度，以及一些特定的相对粘度测定方法，如流杯、稠度计、恩氏粘度等等。
1.4 流体的分类
根据流动和变形形式不同，将流体物质分为牛顿流体和非牛顿流体。牛顿流体遵循牛顿流动法则，非牛顿流体不遵循该法则。
1.4.1. 牛顿流体
实验证明，纯液体和多数低分子溶液在层流条件下的剪切应力 τ 与剪切速率成正比，下式为牛顿粘性定律（Newtonian equation），遵循该法则的液体为牛顿流体（Newtonian fluid）。
t =η × F/A 或 t = η × y´ (1)
式中，F：A 面积上施加的力；η：粘度（viscosity）或粘度系数（viscosity coefficient），是表示流体粘性的物理常数。SI 单位中粘度用 Pas 表示；常用单位还有 mPas、P（泊）、cP（厘泊），其中 1P=0.1Pas，1cP=1mPas。根据公式可知牛顿液体的剪切速率与剪切应力 τ 之间关系，如图 2 所示，呈直线关系，且直线经过原点。这时直线的斜率表示粘度，粘度与剪切速度无关，而且是可逆过程，只要温度一定，粘度就一定。
1.4.2 非牛顿流动
实际上大多数液体不符合牛顿定律，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均不遵循牛顿定律，因此称之为非牛顿流体（non-Newtonian fluid），此种物质的流动现象称为非牛顿流动（non-Newtonian flow）。对于非牛顿流体可以用旋转粘度计测定其粘度，对其剪切应力 τ 随剪切速率的变化作图可得，如图 3 和图 4 中所示的流动曲线（flow curve）或粘度曲线(viscosity curve)。根据非牛顿流体流动曲线的类型把非牛顿流动分为塑性流动、假塑性流动和胀性流动三种
1.4.2.1 塑性流动
塑性流动（plastic flow）的流动曲线如图 14-7（b）所示，曲线不经过原点，在剪切应力 τ轴上的某处有交点，将曲线外延至=0，在 τ 轴上某一点可以屈服值（yield value）。当剪切应力达不到屈服值以上时，液体在剪切应力作用下不发生流动，而表现为弹性变形。当剪切应力增加至屈服值时，液体开始流动，剪切速率和剪切应力 τ 呈直线关系。液体的这种变形称为塑性流动。引起液体流动的最低剪切应力为屈服值 τ0。
1.4.2.2 假塑性流动（假塑性流体）
假塑性流动（Pseudoplastic flow）的流动曲线和粘度曲线如图 4 中的 2 号样品所示。随着剪切速率值的增大而粘度下降的流动称为假塑性流动，具有这种性质的流体称为假塑性流体或剪切稀化（shear thinning）型流体。
绝大多数粘弹性流体都属于假塑性流体，如聚合物溶液、聚合物熔体、油漆、涂料等等，当原油在凝点以下，以及稠油都会表现出一定的假塑性。
1.4.2.3 胀性流动（胀塑性流体）
胀性流动曲线如图 4 中的 3 号样品所示，曲线经过原点，且随着剪切应力的增大其粘性也随之增大，虽然这种流体不如假塑性流体常见，然而胀塑性流体常可由存在有不会聚集固体的流体中看到，如泥浆、糖果合成物、玉米淀粉类与水的混合物以及沙/水混合物。此类流体的行为也可称为剪切增稠（shear thickening）。
1.5 影响材料流变学性质的因素
粘度的数据通常具有“透视（window through）”的功能，材料的其余性质可以经由粘度获得。由于粘度比其它性质更容易测量，因此粘度可以作为判别材料特性的工具。在这章的前半段，我们讨论了不同型式的流变行为及判断它们的方法，由材料流变性质的判定，你可能会想了解这些信息暗示了材料的哪些特性。
1.5.1 温度
温度可能影响材料流变性能的首要因素。一些材料对于温度非常敏感，会造成粘度发生很大的变化；另外一些材料则对温度具有较小的敏感性，粘度受温度的影响较小。温度效应对粘度的影响在材料使用及生产中是必须考虑的基本问题，此类材料如机油、油脂和热融性粘合剂等。
1.5.2 剪切速率
对于非牛顿流体，剪切速率是影响样品性能的最重要因素之一。例如若将剪切增稠性流体输入泵送系统中，如果设计的技术性能不合适，那么就可能会造成系统的异常终止，甚至会损坏设备。虽然这是一个极端的例子，然而剪切速率对于生产系统的影响是不可忽视的。
当材料必须在不同的剪速下使用时，先了解操作剪速下的粘度行为是基本的，如果你不了解这些行为，至少需先做估计，粘度应该要在预估的剪切速率值与实际值相近下测量才有意义。
测量粘度时，若剪切速率的范围在粘度计测量范围以外时，就必须测量不同剪切速率下的粘度值，再以外推方式得到操作剪速下的粘度值。这虽然不是最精准的方法，但确是获得粘度信息的唯一替代方法，特别是当欲实现的剪切速率特别高时。事实上，在多个不同剪切速率下进行粘度的测量，以观察使用上的流变行为才是适当的。如果不知道样品剪速值或剪速不重要时，以转速作图也是可以的。
材料在生产或使用上会受到剪速影响的例子有：油漆、化妆品、乳液、涂布、一些食品和血液等，下表为流体在不同剪速范围下的典型例子：
状况 典型的剪速范围（s-1） 应用
悬浮溶液中沉淀的微细粒子 10-6-10-4 药品，油漆
表面张力造成的液面流平现象 10-2-10-1 油漆，印刷墨水
重力影响下的流挂现象 10-1-101 油漆，涂布，厕所的漂白剂
挤出机 100 -102 高分子加工
咀嚼和吞咽 101 -102 食物口感
浸入式涂布 101 -102 油漆，糖果制造
混合和搅拌 101 -103 流体产品的生产
管路输送 100 -103 打气，血液流动
喷雾和刷涂 103 -104 喷雾干燥，油漆，燃料雾化
摩擦 104 -105 乳脂的应用及化妆水在皮肤上的行为
在流体中研磨染料 103-105 油漆，印刷墨水
高速涂布 105-106 造纸
润滑 103-107 石油工业
1.5.3 时间
在剪切的环境下，时间明显地影响材料的触变性质和流变性质，但是就算样品不受剪力影响，其粘度仍会随着时间而改变，因此在选择与准备样品作粘度测量时，时间的效应是必须考虑的，此外，当样品在测试过程中产生化学反应时，材料的粘度也会有所变化，因此在反应过程中某一时间所测的粘度与另一时间所做的结果会有所不同。
1.5.4 压力
压力影响并不如其它因素般常见，但压力的变化可能会造成：分解气体产生气泡、扩散或气体的进入造成体积的改变和紊流现象、压缩流体，增加分子内的阻力，亦即增加压力会增加粘度。在高压下，液体会受到压力压缩的影响，此现象与气体相同，虽然程度上较小，如下述例子：高浓度的泥浆（粒子体积约占 70-80%以上），其中不含有足够的液体，使液体不能完全进入粒子间的空隙中，导致了三相系的形成（即固体、液体和气体）。由于气体的存在，混合物可压缩，亦即压力越大，流动的阻力愈大。
1.5.5 前处理
在测量样品粘度前，前处理可能会影响粘度测量的结果，特别是流体会受到热或时间的影响，亦即样品保存状况和样品准备技术必须设计将影响粘度效应的因素减至最低，特别是触变性材料会受到准备工作的影响，如搅拌、混合、倾倒、或是其它可能使样品产生剪切的动作。
1.5.6 组成和添加物
材料的组成是影响粘度的重要因素，当样品组成发生改变后，不管是组成物质的比率或其它物质的添加，粘度的改变都是可能的。
