流變性

　　簡介

　　物質(zhì)在外力作用下的變形和流動(dòng)性質(zhì),主要指加工過程中應(yīng)力形變形變速率和粘度之間的聯(lián)系英文術(shù)語:Rheological,Flow Property,Fluidity,

　　1.阿侖尼烏斯方程

　　微分式：

　　指數(shù)式：

　　積分式：

　　式中，A稱為指前因子或表觀頻率因子，其單位與k相同;Ea稱為阿累尼烏斯活化能(簡稱活化能)，其單位為kJmol-1。上述三式是定量表示k與T之間的關(guān)系。常用于計(jì)算不同溫度T所對(duì)應(yīng)之反應(yīng)的速率常數(shù)k(T)以及反應(yīng)的活化能Ea。阿倫尼烏斯方程只能用于基元反應(yīng)或有明確級(jí)數(shù)而且k隨溫度升高而增大的非基元反應(yīng)。若溫度變化過大，則阿倫尼烏斯方程會(huì)產(chǎn)生誤差，這時(shí)，下列方程更好地符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　k = ATBe-E/RT

　　從分子運(yùn)動(dòng)觀點(diǎn)看，當(dāng)大分子熱運(yùn)動(dòng)隨溫度升高而增加時(shí)，熔體中分子間的空穴(即自由體積)也隨之增加和膨脹，使流動(dòng)阻力減小。要是以粘度7表示阻力的大小，則在溫度變化不大的范圍內(nèi)熔體粘度與溫度 之間的關(guān)系可用Arrhe-nius方程表示：

　　η=AeEa/RT

　　式中A是常數(shù)，R是氣體常數(shù)， 是絕對(duì)溫度，Ea 為流動(dòng)活化能，它既是大分子向空穴躍遷時(shí)克服周圍分子的作用所需要的能量，也是熔體粘度對(duì)溫度敏感程度的量度，即Ea越大，粘度對(duì)溫度的變化越敏感。(即流動(dòng)活化能增大，流體的流動(dòng)性變差。反之，流動(dòng)活化能減小，流體的流動(dòng)性變好)

　　將Arrhe-nius方程兩邊取對(duì)數(shù)，得到：

　　lgη=lgA+Ea/2.303RT

　　然后根據(jù)數(shù)據(jù)作lgη—1/T圖，從所得直線的斜率可計(jì)算出Ea.

　　特性概述

　　流體在受到外部剪切力作用時(shí)發(fā)生變形(流動(dòng)).接內(nèi)部相應(yīng)要產(chǎn)生對(duì)變形的抵抗，并以內(nèi)摩擦的形式表現(xiàn)出來。所有流體在有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)都要產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，這是流體的一種固有物理屬性，稱為流體的粘滯性或粘性。牛頓內(nèi)摩擦定律或牛頓剪切定律對(duì)流體的粘性作了理論描述，即流體層之間單位面積的內(nèi)摩擦力或剪切應(yīng)力與速度梯度或剪切速率成正比。用公式表示如下：

　　τ=μ(dvx/dy)= μγ

　　上式又稱為牛頓剪切應(yīng)力公式，式中的比例系數(shù)μ就是代表流體粘滯性的物理量，反映了流體內(nèi)摩擦力的大小，稱為流體的動(dòng)力粘性系數(shù)或粘度。流體的粘度與溫度有密切的關(guān)系。液體的粘度隨著溫度升高而下降，而氣體的粘度則隨著溫度的升高而升高。在物理意義上，牛頓剪切應(yīng)力公式表明有一大類流體，它們的剪切應(yīng)力與速度梯度呈線性關(guān)系。這類流體被稱為牛頓流體。另一方面，如果上式的函數(shù)關(guān)系是非線性的，所描述的流體就被稱為非牛頓流體。 .

　　為了方便描述非牛頓型流體，人們提出了廣義的牛頓剪切應(yīng)力公式：

　　τ=η(dvx/dy)= ηγ

　　系數(shù)η同樣反映流體的內(nèi)摩擦特性，常常稱為廣義的牛頓粘度。對(duì)牛頓型流體，η當(dāng)然就是粘度 ，屬于流體的特性參數(shù)。對(duì)非牛頓型流體，問題就變得復(fù)雜起來，η不再是常數(shù)，它不僅與流體的物理性質(zhì)有關(guān)，而且還與受到的剪切應(yīng)力和剪切速率有關(guān)，即流體的流動(dòng)情況要改變其內(nèi)摩擦特性。人們提出了幾個(gè)描述非牛頓型流體內(nèi)摩擦特性的流變方程模型。如Ostwald—dewaele的冪律模型，Ellis模型，Carreau模型，Bingham模型等。其中冪律模型最為常用。冪律模型認(rèn)為，非牛頓型流體的粘度函數(shù)是速度梯度或剪切速率絕對(duì)值的一個(gè)指數(shù)函數(shù)，其表達(dá)式為:

　　1. τ=K(dvx/dy)n= Kγn

　　或者

　　2. η=K(dvx/dy)n= Kγn-1

　　式中，K為稠度系數(shù)，N·S”/m ; 為流體特性指數(shù)，無因次，表示與牛頓流體偏離的程度。

　　由2式可見：

　　① 當(dāng)n=1時(shí)，η=K，即K 具有粘度的因次.此時(shí)流體為牛頓流體，可用以檢查所得結(jié)果正

　　確與否;

　　② 當(dāng)η<1時(shí)，為假塑性或剪切變稀流體;

　　③ 當(dāng)η>l時(shí)，為膨脹塑性或剪切增稠流體;

　　④ 1式從使用觀點(diǎn)看，僅有兩參數(shù)，因此被廣泛應(yīng)用，工業(yè)上80%以上的非牛頓流體均可用此模型計(jì)算。

　　流體類型

　　在一定的溫度下，流體在外力的作用下呈層流時(shí)，流速不同的層間產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，將阻礙液層的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，層流間剪切應(yīng)力(τ)與流速梯度(dv/dy)之間呈一復(fù)雜的關(guān)系，并隨著時(shí)間、溫度、流體性質(zhì)和流速不同而產(chǎn)生很大的差別。反映這一關(guān)系的基本數(shù)學(xué)公式就是牛頓流動(dòng)定律：

　　τ=η(dvx/dy)

　　其中，τ——剪切應(yīng)力(平行流動(dòng)方向的單位面積上的內(nèi)摩擦力)

　　dv/dy——剪切速率(垂直流動(dòng)方向的流速梯度)

　　η——粘度(動(dòng)力粘滯系數(shù))

　　流體的剪切應(yīng)力與剪切速率之間的變異關(guān)系用圖形表示則稱為流變曲線。

　　塑性流體是非牛頓流體中的一種，其特點(diǎn)是剪切應(yīng)力小于某一數(shù)值τ。時(shí)，就不能流動(dòng)，大于τ。后才開始流動(dòng);假塑性流體也是非牛頓流體一種，其流動(dòng)特點(diǎn)是一旦施加外力就能流動(dòng)，其粘度隨著剪切速率的增加而減小，流動(dòng)曲線為通過坐標(biāo)原點(diǎn)凸向剪切應(yīng)力軸的曲線;牛頓流體在流變曲線上，剪切應(yīng)力與剪切速率間關(guān)系為一通過原點(diǎn)的直線關(guān)系;膨脹性流體也是非牛頓流體中的另一種類型，其特點(diǎn)是一加外力就能流動(dòng)，粘度隨著剪切速率增加而增大，流動(dòng)曲線為通過坐標(biāo)原點(diǎn)凹向剪切應(yīng)力軸的曲線。

　　假塑性分析

　　屈服——假塑性是指流體在較小外力作用下，不發(fā)生流動(dòng)，只產(chǎn)生有限的彈性變形，只有當(dāng)外力大于某值時(shí)，流體才發(fā)生流動(dòng)，使流體發(fā)生流動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力稱之為屈服應(yīng)力。

　　觸變性分析

　　觸變性表述這樣的現(xiàn)象：物體經(jīng)長時(shí)間高剪切從高粘凝膠態(tài)變?yōu)檎扯鹊偷枚嗟娜苣z。觸變性的一個(gè)重要標(biāo)志是物體保持靜止后有重新稠化的可逆過程。這類流體的粘度不僅隨剪切速率變化，而且在恒定的剪切速率下，它的粘度也隨著時(shí)間的推移而下降，并達(dá)到一個(gè)常數(shù)值。當(dāng)剪切作用停止后，粘度又隨時(shí)間的推移而增高，大多數(shù)觸變性流體，經(jīng)過幾小時(shí)或更長的時(shí)間，可以恢復(fù)到初始的粘度值。它的曲線形態(tài)表現(xiàn)為，在流動(dòng)曲線圖中“上行曲線”不再與“下行曲線”重疊，而是兩條曲線之間形成了一個(gè)封閉的“梭型”觸變環(huán)。這個(gè)“梭型”觸變環(huán)的面積大小決定著觸變特性的量度，它表示破壞觸變結(jié)構(gòu)所需要的能量。

　　震凝流體

　　流體可分為牛頓流體和非牛頓流體。其中非牛頓流體還可分為時(shí)間獨(dú)立性流體(a.假塑體，b.膨脹體，C.塑性假塑體，d.塑性膨脹體)、時(shí)間相關(guān)性流體(觸變物質(zhì)和振凝性流體)以及粘彈性流體(線性粘彈體和非線性粘彈體)

　　非牛頓流體包括剪切變稠型(脹流型)、剪切變稀型、假塑型、塑性型、觸變型以及震凝型流體等。剪切變稠型：粘度隨流速梯度增大而增大，這是因?yàn)楫?dāng)顆粒濃度很高并接近最緊密排列時(shí)，兩層間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將使顆粒偏離最緊密排列，體積有所增加，需消耗額外能量。或者因?yàn)楫?dāng)流速增加而使顆粒動(dòng)能增高時(shí)，可能越過能壘Eb 到達(dá)第一極小 Em1 而發(fā)生絮凝，使粘度增大。

　　剪切變稀型：粘度隨流速梯度增大而減小。這是因?yàn)樵趆 較大時(shí)，位能曲線上有一個(gè)第二極小 Em2，它將導(dǎo)致顆粒間形成較弱的絮凝，而流速增大時(shí)將破壞這種絮凝使粘度減小。也可能因?yàn)轭w粒為棒狀或片狀，靜止時(shí)顆粒運(yùn)動(dòng)受阻，當(dāng)受到剪切時(shí)，顆粒因形成隊(duì)列而粘度減小。

　　假塑型

　　粘度隨流速梯度增大而減小，它的剪切變稀的性質(zhì)更為突出。

　　塑性型

　　該類流體由于絮凝很強(qiáng)而形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是存在屈服應(yīng)力τB ，τ <τB 時(shí)流體僅發(fā)生彈性形變。當(dāng)τ >τB 時(shí)，網(wǎng)絡(luò)破壞并開始流動(dòng)，剪切應(yīng)力隨流速梯度而變化。

　　觸變型

　　在剪切作用下可由粘稠狀態(tài)變?yōu)榱鲃?dòng)性較大的狀態(tài)，而剪切作用取消后，要滯后一段時(shí)間才恢復(fù)到原來狀態(tài)。這是由于絮凝網(wǎng)絡(luò)經(jīng)剪切破壞后，重新形成網(wǎng)絡(luò)需要一定時(shí)間。

　　震凝型

　　該流體能在剪切作用下變稠。剪切取消后，也要滯后一段時(shí)間才恢復(fù)變稀。