（一）、流變學基本概念

1.1 流變學研究的內(nèi)容

流變學 —Rheology ，來源于希臘的 Rheos=Sream （流動）詞語，是 Bingham 和Crawford 為了表示液體的流動和固體的變形現(xiàn)象而提出來的概念。流變學主要是研究物質(zhì)的流動和變形的一門科學。

流動是液體和氣體的主要性質(zhì)之一，流動的難易程度與流體本身的粘性（viscosity）有關，因此流動也可視為一種非可逆性變形過程。

變形是固體的主要性質(zhì)之一，對某一物體外加壓力時，其內(nèi)部各部分的形狀和體積發(fā)生變化，即所謂的變形。對固體施加外力，固體內(nèi)部存在一種與外力相對抗的內(nèi)力使固體保持原狀。此時在單位面積上存在的內(nèi)力稱為內(nèi)應力（stress）。對于外部應力而產(chǎn)生的固體的變形，當去除其應力時恢復原狀的性質(zhì)稱為彈性（elasticity）。把這種可逆性變形稱為彈性變形（elastic deformation）,而非可逆性變形稱為塑形變形（plastic deformation）。

實際上，多數(shù)物質(zhì)對外力表現(xiàn)為彈性和粘性雙重特性，我們稱之為粘彈性，具有這種特性的物質(zhì)我們稱之為粘彈性物質(zhì)。

1.2 剪切應力與剪切速度

觀察河道中流水，水流方向一致，但水流速度不同，中心處的水流最快，越靠近河岸的水流越慢。因此在流速不太快時可以將流動著的液體視為由若干互相平行移動的液層所組成的，液層之間沒有物質(zhì)交換，這種流動方式叫層流，如圖 1。由于各層的速度不同，便形成速度梯度 dv/dh，或稱剪切速率。流動較慢的液層阻滯著流動較快液層的運動，使各液層間產(chǎn)生相對運動的外力叫剪切力，在單位液層面積（A）上所需施加的這種力稱為剪切應力，簡稱剪切力（Shear Stress），單位為 N·m-2，即 Pa，以 τ 表示。剪切速度（Shear Rate），單位為 s-1，以表示。剪切速率與剪切應力是表征體系流變性質(zhì)的兩個基本參數(shù)。

1.3 粘度

粘度是反應物質(zhì)流動時內(nèi)摩擦大小的物理量；根據(jù)測量方法的不同，粘度通常有多種表示方法，比如我們最常用的動力學粘度和運動粘度，以及一些特定的相對粘度測定方法，如流杯、稠度計、恩氏粘度等等。

1.4 流體的分類

根據(jù)流動和變形形式不同，將流體物質(zhì)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。

1.4.1. 牛頓流體

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

t =η × F/A 或 t = η × y′ (1)

式中，F(xiàn)：A 面積上施加的力；η：粘度（viscosity）或粘度系數(shù)（viscosity coefficient），是表示流體粘性的物理常數(shù)。SI 單位中粘度用 Pas 表示；常用單位還有 mPas、P（泊）、cP（厘泊），其中 1P=0.1Pas，1cP=1mPas。根據(jù)公式可知牛頓液體的剪切速率與剪切應力 τ 之間關系，如圖 2 所示，呈直線關系，且直線經(jīng)過原點。這時直線的斜率表示粘度，粘度與剪切速度無關，而且是可逆過程，只要溫度一定，粘度就一定。

1.4.2 非牛頓流動

實際上大多數(shù)液體不符合牛頓定律，如高分子溶液、膠體溶液、乳劑、混懸劑、軟膏以及固-液的不均勻體系的流動均不遵循牛頓定律，因此稱之為非牛頓流體（non-Newtonian fluid），此種物質(zhì)的流動現(xiàn)象稱為非牛頓流動（non-Newtonian flow）。對于非牛頓流體可以用旋轉粘度計測定其粘度，對其剪切應力 τ 隨剪切速率的變化作圖可得，如圖 3 和圖 4 中所示的流動曲線（flow curve）或粘度曲線(viscosity curve)。根據(jù)非牛頓流體流動曲線的類型把非牛頓流動分為塑性流動、假塑性流動和脹性流動三種

1.4.2.1 塑性流動

塑性流動（plastic flow）的流動曲線如圖 14-7（b）所示，曲線不經(jīng)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(fā)生流動，而表現(xiàn)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 呈直線關系。液體的這種變形稱為塑性流動。引起液體流動的最低剪切應力為屈服值 τ0。

1.4.2.2 假塑性流動（假塑性流體）

假塑性流動（Pseudoplastic flow）的流動曲線和粘度曲線如圖 4 中的 2 號樣品所示。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(zhì)的流體稱為假塑性流體或剪切稀化（shear thinning）型流體。

絕大多數(shù)粘彈性流體都屬于假塑性流體，如聚合物溶液、聚合物熔體、油漆、涂料等等，當原油在凝點以下，以及稠油都會表現(xiàn)出一定的假塑性。

1.4.2.3 脹性流動（脹塑性流體）

脹性流動曲線如圖 4 中的 3 號樣品所示，曲線經(jīng)過原點，且隨著剪切應力的增大其粘性也隨之增大，雖然這種流體不如假塑性流體常見，然而脹塑性流體?？捎纱嬖谟胁粫奂腆w的流體中看到，如泥漿、糖果合成物、玉米淀粉類與水的混合物以及沙/水混合物。此類流體的行為也可稱為剪切增稠（shear thickening）。

1.5 影響材料流變學性質(zhì)的因素

粘度的數(shù)據(jù)通常具有“透視（window through）”的功能，材料的其余性質(zhì)可以經(jīng)由粘度獲得。由于粘度比其它性質(zhì)更容易測量，因此粘度可以作為判別材料特性的工具。在這章的前半段，我們討論了不同型式的流變行為及判斷它們的方法，由材料流變性質(zhì)的判定，你可能會想了解這些信息暗示了材料的哪些特性。

1.5.1 溫度

溫度可能影響材料流變性能的首要因素。一些材料對于溫度非常敏感，會造成粘度發(fā)生很大的變化；另外一些材料則對溫度具有較小的敏感性，粘度受溫度的影響較小。溫度效應對粘度的影響在材料使用及生產(chǎn)中是必須考慮的基本問題，此類材料如機油、油脂和熱融性粘合劑等。

1.5.2 剪切速率

對于非牛頓流體，剪切速率是影響樣品性能的最重要因素之一。例如若將剪切增稠性流體輸入泵送系統(tǒng)中，如果設計的技術性能不合適，那么就可能會造成系統(tǒng)的異常終止，甚至會損壞設備。雖然這是一個極端的例子，然而剪切速率對于生產(chǎn)系統(tǒng)的影響是不可忽視的。

當材料必須在不同的剪速下使用時，先了解操作剪速下的粘度行為是基本的，如果你不了解這些行為，至少需先做估計，粘度應該要在預估的剪切速率值與實際值相近下測量才有意義。

測量粘度時，若剪切速率的范圍在粘度計測量范圍以外時，就必須測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。這雖然不是最精準的方法，但確是獲得粘度信息的唯一替代方法，特別是當欲實現(xiàn)的剪切速率特別高時。事實上，在多個不同剪切速率下進行粘度的測量，以觀察使用上的流變行為才是適當?shù)?。如果不知道樣品剪速值或剪速不重要時，以轉速作圖也是可以的。

材料在生產(chǎn)或使用上會受到剪速影響的例子有：油漆、化妝品、乳液、涂布、一些食品和血液等，下表為流體在不同剪速范圍下的典型例子：

狀況 典型的剪速范圍（s-1） 應用

懸浮溶液中沉淀的微細粒子 10-6-10-4 藥品，油漆

表面張力造成的液面流平現(xiàn)象 10-2-10-1 油漆，印刷墨水

重力影響下的流掛現(xiàn)象 10-1-101 油漆，涂布，廁所的漂白劑

擠出機 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

混合和攪拌 101 -103 流體產(chǎn)品的生產(chǎn)

管路輸送 100 -103 打氣，血液流動

噴霧和刷涂 103 -104 噴霧干燥，油漆，燃料霧化

摩擦 104 -105 乳脂的應用及化妝水在皮膚上的行為

在流體中研磨染料 103-105 油漆，印刷墨水

高速涂布 105-106 造紙

潤滑 103-107 石油工業(yè)

1.5.3 時間

在剪切的環(huán)境下，時間明顯地影響材料的觸變性質(zhì)和流變性質(zhì)，但是就算樣品不受剪力影響，其粘度仍會隨著時間而改變，因此在選擇與準備樣品作粘度測量時，時間的效應是必須考慮的，此外，當樣品在測試過程中產(chǎn)生化學反應時，材料的粘度也會有所變化，因此在反應過程中某一時間所測的粘度與另一時間所做的結果會有所不同。

1.5.4 壓力

壓力影響并不如其它因素般常見，但壓力的變化可能會造成：分解氣體產(chǎn)生氣泡、擴散或氣體的進入造成體積的改變和紊流現(xiàn)象、壓縮流體，增加分子內(nèi)的阻力，亦即增加壓力會增加粘度。在高壓下，液體會受到壓力壓縮的影響，此現(xiàn)象與氣體相同，雖然程度上較小，如下述例子：高濃度的泥漿（粒子體積約占 70-80%以上），其中不含有足夠的液體，使液體不能完全進入粒子間的空隙中，導致了三相系的形成（即固體、液體和氣體）。由于氣體的存在，混合物可壓縮，亦即壓力越大，流動的阻力愈大。

1.5.5 前處理

在測量樣品粘度前，前處理可能會影響粘度測量的結果，特別是流體會受到熱或時間的影響，亦即樣品保存狀況和樣品準備技術必須設計將影響粘度效應的因素減至最低，特別是觸變性材料會受到準備工作的影響，如攪拌、混合、傾倒、或是其它可能使樣品產(chǎn)生剪切的動作。

1.5.6 組成和添加物

材料的組成是影響粘度的重要因素，當樣品組成發(fā)生改變后，不管是組成物質(zhì)的比率或其它物質(zhì)的添加，粘度的改變都是可能的。