【集萃网观察】二、  粘度和屈服值

    流体的粘滞性，是流体在流动中表现出来的内摩擦特性；量度流体粘滞性的物理量，叫流体的粘度。流体的粘度与很多因素有关，这些因素有：流体的切应力和切变速率、流体的温度和压力、作用力作用的时间的长短，以及流体的组成、结构、浓度等。我们这里只讨论粘度和切应力、切变速率的依赖关系，并按照流体的切应力和切变速率间的关系来定义流体作剪切流动时的剪切粘度。

    牛顿流体的粘度ηN是个不依赖于切变速率的常量，单位是泊(P)。

    由于ηN有动力学的量纲，所以叫作流体的动力粘度。有时，在讨论流体的运动时，经常出现比值” ηN／ρ，ρ是流体的质量密度，由于ηN／ρ具有运动学的量纲，所以，把这个比值叫作流体的运动粘度，记作：

        v =ηN／ρ                              (1)

    v的单位是m2／s。在温度为20℃，压力为1atm的条件下，水的v =0．1×10-5m2／s。

    在油墨的检测中，习惯上把ηN的倒数(1／ηN)叫作油墨的流动度，用f表示。

        f = 1／ηN                              (2)

    对于屈服值很小的油墨，在切变速率不是太大的情况下，可以看作是牛顿流体，f就可以用来表征这样的油墨的流动情况。油墨出流动度可以在流动度测定仪或者其它简易设备上测定。

    假塑性流体、胀流型流体和塑性流体的粘度，都依赖于切变速率；理想的宾哈姆流体的粘度不依赖于切变速率。粘度依赖于切变速率的流体，τ—D曲线不是直线，它们的粘度的定义，在形式上，是采用与ηN类比的方法，仍然以τ—D间的关系来表示，在实质上，巳转变为描述流变曲线(τ—D关系)的参量了。

    在切变速率很低时，几乎所有的粘性流体都表现出牛顿流体的性质，即切应力τ与切变速率D成线性关系，这阶段流体的粘度可以用τ—D流变曲线的初始斜率来表示，叫作零切变粘度。

    当切变速率较高，τ—D关系为非线性时，则对应于某一切变速率的粘度，可以用表观粘度ηa和微分粘度来表示。

    表观粘度是连结原点O和给定的切变速率在τ—D曲线上的对应点P所作割线OP的斜率：

    ηa =τ／D                               （3）

    微分粘度是过P点所作τ—D曲线的切线的斜率：

    ηd =dτ／dD                             （4）

    假塑性流体的表观粘度和微分粘度，随切变速率的升高而降低，这种现象叫作切稀现象(剪切变稀的现象)。胀流型流体的ηa 和ηd，随切变速率的升高而升高，这种现象叫切稠现象(剪切变稠现象)。切稀现象和切稠现象，是流体具有非牛顿性特征的证明。

    塑性流体和宾哈姆流体，都是只有在切应力超过屈服值才发生流动的。

    塑性流体的粘度定义方法和假塑性流体粘度定义的方法相似。  

    宾哈姆流体的粘度用塑性粘度来表示。

    以上定义的粘度，都是对剪切流动而言的，叫作剪切粘度。对于拉伸流动，则可定义拉应力σ与拉伸应变速率ε之比，为该拉伸应变速率所对应的拉伸粘度ηt ：

          ηt = σ／ε                            (5)

    式中：ε是拉伸应变，ε=dε／dt。

    还应指出，上述剪切粘度的定义都是对稳态层流而言的。

    所谓稳态流动，是指当流体流动时，流体中给定点的动力状态不随时间而变化。在这种情况下，是流体的粘性对流体的流变行为起主导作用，流体的弹性效应才能够忽略不计。如果流动是不稳定的，比如两平行板间流体的流动，如果上板的相对速度不是常量，而是按时间的正弦函数的方式变化，那么流动中的弹性效应就不容忽视。这时，流变方程中所包含的物理特性参量，就应该是两部分，即与稳态粘度相关的、确定能量耗散速率的动态粘度和作为弹性或储能的量度的虚数粘度。

    所谓层流流动是指这样的流动：在相邻流体层作相对运动时，必须形成光滑的流线，而没有流体质点宏观上的掺混。如果流动不能形成光滑的流线，流体质点作无规则的随机脉动且有宏观上的掺混，这样的流动就叫湍流流动。只有在层流状态下，速度梯度、切变速率才有意义。

    大多数的纯溶液，低分子的稀溶液，在一定的温度下，粘度是个定值，不依赖于切变速率和切应力，所以可看作是牛顿流体。对于有两相存在的体系，由于分散相粒子使流体的流动受到额外的阻力，消耗额外的能量，所以粘度增加。

    如果体系是刚性小球的稀悬浮液，则体系的粘度η可以爱因斯坦公式计算：   

        η=η1(1+kФ)                           (6)

    式中η1是分散介质(流体)的粘度，Ф是分散相小球在体系(悬浮液)中所占的分数，k是爱因斯坦系数，如果小球表面没有液体的滑移现象，则k = 2．5。

    爱因斯坦公式仅适用于分散相浓度很低的情况。如果分散相的浓度较高，流体流动时，分散粒子间相互的牵制作用就较强，这就会引起粘度的升高。

    如果分散相粒子具有结构上的不对称性，或者分散相粒子因带电等原因而有相互作用，分散体系的粘度计算会更为复杂。按照这些公式，只要分散介质的粘度是常数，则算得的分散体系的粘度亦为常数，或者说，只要分散介质是牛顿流体，则分散体系亦为牛顿流体，只是后者较前者粘度有所增加。实际上，高分散度体系大多数并非牛顿流体，它们的τ—D关系都比较复杂，粘度(表观粘度或微分粘度)并非常数，是依赖于切变速率和切应力的。

    假塑性流体和塑性流体都有切稀现象。对于有不对称粒子的液体，切稀现象可以作这样的解择：当液体静止时，粒子可以有各种不同的取向，当切变速率逐渐增加时，粒子的长轴也逐次顺向流动方向，流动阻力相应地降低，粘度因而减小；切变速率越大．这种定向排列越彻底，粘度就越小；直到所有的粒子都得到定向排列，粘度也就不变了。

    胀流型流体有切稠现象。对于分散相粒子排列得很紧密的分散体系，切稠现象可以作这样的解释：当体系静止时，由于粒子排列很紧密，粒子之间的液体所占有的空隙体积最小，当体系有切变速率(即体系被搅动)时，空隙体积便有所增加，体系的总体积便膨胀，所以这种流体为胀流型的。同时，由于空隙加大，粒子接触到的液层量减少，液层间原有的润滑作用降低，流动阻力升高，于是体系的粘度便增大了。

    最后，我们来讨论宾哈姆流体的屈服值和塑性粘度，这对研究印刷过程中油墨的流变性质是十分重要的。

    我们知道，理想的宾哈姆流动的τ—D关系是线性的，宾哈姆流体在τ小于或等于某个确定的τa时，并不发生流动，而当τ>τa时，就象牛顿流体那样流动。这样的特性可以用下式来表示：  

    τ-τa=ηpD       τ＞τa   

     D = 0             τ≤τa            （7）

    式中，τa是宾哈姆流体的屈服值，ηp叫宾哈姆流体的塑性粘度。

          ηp =(τ-τ0)／D                       (8)

    切应力超过屈服值才发生流动的现象，叫体系的塑性现象。只有分散粒子的浓度达到可以使粒子彼此接触的程度，体系才有塑性现象发生。分散体系的可塑性质，可以认为是由于体系中存在不对称粒子的网状结构引起的。要使体系流动，必须有足够大的切应力来破坏网状结构，粘度便随着下降。网状结构被破坏后，又可能重新结合。当网状结构的被拆散速度超过重新结合的速度时，粘度就成常数了。所以，实际上的流动并不象理论上的宾哈姆流动那样简单。

    油墨的分散相是颜料，颜料粒子的形状很复杂，有球形的、棒形的、片形的等等，粒子的分散度很高，对油墨流动性的影响十分复杂。主要因素有：颜料和连结料的体积比、颜料粒子的大小和形状等。

    表面活性剂的存在对于油墨的流动性有很大的影响，表面活性剂使颜料粒子有个保护性的外壳，同的也增大了颜料粒子的体积，由于表面活性剂溶于油墨的连结料，从而改变了连结料本身的粘度。但影响油墨粘度和流动性的因素太多，从理论上说明还有困难，可以指出的一些经验规律是：如果颜料粒子等固体粒子的浓度以百分比计，则ηp 以指数规律随固体浓度的增加而升高。如以lgηp对粒子的百分比体积(V%)作图，得到的是近于直线的关系。τa与V%的关系也大致如此。如果固体粒子的浓度不变，则粒子越小ηp越大。

该文章暂时没有评论！