高分子材料流變學簡介-流體

剪切速率與剪切應力時表徵體系流變性質的兩個基本參數。

在流速不太快時，可以將流動的液體視為由若干相互平行移動的液層所組成，液層之間沒有物質交換，這種流動方式叫層流。由於各層的速度不同，便形成速度梯度dv/dh，或稱為剪切速率γ。單位s-1。

流動速度較慢的液層會阻滯流動較快液層的運動，使各液層間產生相對運動的外力叫剪切力，在單位液層面積上所需施加的這種力稱為剪切應力τ。單位N?m-2，即Pa。

粘度η是反應物質流動時內摩擦大小的物理量。粘度有多種表示方法，例如動力學粘度、運動粘度。

流體的分類

根據流動和變形形式不同，將流體分為牛頓流體和非牛頓流體。牛頓流體遵循牛頓流動法則，非牛頓流體不遵循該法則。在高分子液體範疇內，可以粗略地把非牛頓流體分為純粘性流體、粘彈性流體、有時間依賴性的流體等。大多數高分子熔體、高分子溶液是非線性粘彈性流體。觸變性流體、震凝性流體則屬於流動性質有時間依賴性的體系。

牛頓流體

實驗證明，純液體和多數低分子溶液在層流條件下的剪切應力 τ 與剪切速率γ成正比，下式為牛頓粘性定律，遵循該法則的液體為牛頓流體。

根據公式可知牛頓液體的剪切速率與剪切應力τ 之間呈直線關係，且直線經過原點。這時直線的斜率表示粘度，粘度與剪切速度無關，只要溫度一定，粘度就一定。

塑性流體

塑性流體（Bingham塑性體）的流動曲線不經過原點，在剪切應力τ軸上的某處有交點，將曲線外延至0，在τ軸上某一點可以屈服值（yield value）。當剪切應力達不到屈服值以上時，液體在剪切應力作用下不發生流動，而表現為彈性變形。當剪切應力增加至屈服值時，液體開始流動，剪切速率和剪切應力τ呈直線關係。液體的這種變形稱為塑性流動（plastic flow）。引起液體流動的最低剪切應力為屈服值τ0。

有些Bingham塑性體，在外應力超過屈服應力開始流動後，流動規律遵循牛頓粘度定律，被稱為普通Bingham流體。其粘度被稱為塑性粘度。另一些Bingham塑性體，一旦開始流動後，流動行為並不遵循牛頓粘度定律，其剪切粘度隨剪切速率發生變化，被稱為非線性Bingham流體。

牙膏、油漆是典型的塑性流體。牙膏的特點是不擠不流，只有外力大到足以克服屈服應力時，才開始流出。油漆在塗刷過程中，要求塗刷使粘度要小，停止塗刷時要不出現流掛，因此要求其屈服應力足夠大到可以克服重力對流動的影響。

假塑性流體

隨著剪切速率值的增大而粘度下降的流動稱為假塑性流動，具有這種性質的流體稱為假塑性流體或剪切稀化（shear thinning）型流體。絕大多數粘彈性流體都屬於假塑性流體，如聚合物溶液、聚合物熔體、油漆、塗料等等，當原油在凝點以下，以及稠油都會表現出一定的假塑性。

典型的假塑性流體的流動曲線中分為三個區域：當剪切速率接近0時，流體流動性質與牛頓型流體相似，粘度趨於常數，稱為零剪切粘度η0。這一區域稱為線性流動區，或第一牛頓區。零剪切粘度是物料的一個重要材料常數，與材料的平均分子量、粘流活化能相關，是材料最大鬆弛時間的反映。

當剪切速率超過某個臨界剪切速率後，材料流動性質出現剪切變稀行為，這個區域是高分子材料加工的典型流動區。這時曲線上一點的切線與縱坐標的交點類似塑性流體的屈服點，故稱為假塑性區域，或非牛頓流動區，或剪切變稀區域。

當剪切速率非常高，剪切速率又會趨於另一個定值，稱為無窮剪切粘度，該區域被稱為第二牛頓區。實際上這一區域很難達到，因為在此之前，流動已經變得極不穩定，甚至被破壞。

脹流性流體

脹流性流體的主要特徵是剪切速率很低時，流動行為類似牛頓流體；剪切速率超過某一個臨界值後，剪切粘度隨剪切速率增大而增大，呈剪切變稠效應，研究發現，發生剪切變稠時，流體表觀「體積」略有膨脹，故稱為脹流性流體。

大多數脹流性流體為多相混合體系，其中固體物含量較多，且侵潤性不好，當發生剪切變稠時，流體內多形成新的結構。以泥沙的脹流性行為來理解：通常狀態下，不規則的泥沙顆粒緊密堆砌，顆粒間有一定間隙，其中充有流體，起潤滑劑作用。當收到外力作用，原來的緊密堆砌結構被破壞，形成新的結構。不規則的泥沙顆粒因「位錯」而是空隙變大，體系「膨脹」。原有對固體粒子流動起潤滑作用的流體滲入下方的空隙中，使上部的流體顯得不足，從而使流動更加困難，「粘度」增大。

文章來自技術鄰