觸變性流體

觸變性流體

在恆定的溫度下,如果剪下速率保持不變,流體的切應力和表觀黏度會隨時間的延長而減小,或者說它們的流變性受應力作用時間的制約,這種流體我們稱之為觸變性流體(thixotropic fluid)。 絕大多數時間依賴性流體是觸變性流體。觸變性流體內的質點間形成結構,流動時結構破壞,停止流動時結構恢復,但結構破壞與恢復都不是立即完成的,需要一定的時間,因此系統的流動性質有明顯的時間依賴性。觸變性可以看成是系統在恆溫下“凝膠一溶膠”之間的相互轉換過程的表現。更確切地說,物體在切力作用下產生變形,若黏度暫時性降低,則該物體即具有觸變性。

定義

觸變性流體 觸變性流體

某些流體的黏度不僅與切變速度大小有關,而且與系統遭受切變的時間長短有關,它們是時間依賴性流體。此種流體又可分為兩類:①觸變性(thixotropy)系統,②震凝性(rheopexy)系統。這兩種系統都是非Newton流體,但切變與時間有關。前者維持流體以恆定切變速度流動的切力隨時間而減小,後者在一定切變速度下,切力隨時間而增加。

絕大多數時間依賴性流體是觸變性流體(thixotropic fluid)。觸變性流體內的質點間形成結構,流動時結構破壞,停止流動時結構恢復,但結構破壞與恢復都不是立即完成的,需要一定的時間,因此系統的流動性質有明顯的時間依賴性。觸變性可以看成是系統在恆溫下“凝膠一溶膠”之間的相互轉換過程的表現。更確切地說,物體在切力作用下產生變形,若黏度暫時性降低,則該物體即具有觸變性。

產生觸變性的原因並不十分清楚。如前所述,一種看法是認為針狀和片狀質點比球形質點易於表現出觸變性,它們由於邊或末端之間的相互吸引而形成結構,流動時結構被拆散,切力使質點定向流動。當切力停止時,被拆散的質點要靠Brown運動使顆粒末端或邊相互碰撞才能重新建立結構,這個過程需要時間,因而表現出觸變性。觸變性是一個較為複雜的問題,許多現象尚不清楚,例如,石英粉的水懸浮液本來沒有觸變性,但加入一些極細的AlO粉末後即出現觸變性,其原因就不明。

在實際生產中有許多觸變性問題,例如油漆和油墨的質量常決定於是否有良好的觸變性。在刷油漆時,人們希望油漆的流動性要好,刷時省力,易於塗勻,且可使油漆光滑明亮。但是當刷子一離開,就要求油漆黏度很快升高,油漆不致流下來造成厚薄不勻。又如鑽井泥漿也要求有良好的觸變性,鑽井時希望泥漿黏度低,這樣泥漿沖刷力強,泵效率高,有利於提高鑽井速度。但是一旦停鑽以後,就希望泥漿黏度迅速升高,不然泥漿所攜帶的礦屑等雜質就要沉到井底而形成卡鑽事故。

還有一種負觸變現象,它與通常的觸變性相反,即在外切力作用下,系統的黏度迅速上升,靜止後又恢復原狀,它是具有時間因素的切稠現象。從滯後圈來看,它是順時針的,而觸變系統是逆時針的。最初發現負觸變性是在高分子溶液中,最典型的是5%聚異丁烯的苯溶液。

震凝性系統是溶膠在外界有節奏的震動下變成凝膠。這種節奏性震動可以是輕輕敲打、有規則的圓周運動或攪拌等。例如將1.3%的蒙脫土懸浮體放入1 cm直徑的試管內,加一滴飽和NaCI(或KCl)溶液,用橡皮棒有節奏地輕輕敲打試管,在25℃時經過15 S就凝結成凝膠。

震凝性與脹性不同,脹性系統的特點是當外切力取消後,系統的黏度立即降低而“稀化”,而震凝性系統則不同,當外切力去除後,系統仍保持凝固狀態,至少有一段時間呈凝聚狀態,然後再稀化。從微觀結構來看,脹性系統的懸浮體是“高濃度”的,固體含量常高達40%以上,潤濕性能良好。震凝性固體含量低,僅1%~2%左右,而且粒子是不對稱的,因此形成凝膠完全是粒子定向排列的結果。

典型特徵

觸變性揭示的是材料的黏度隨時間的變化關係。觸變性流體具有如下典型特徵:

①從靜止的物料開始剪下或從低到高改變物料的剪下速率時,黏度隨時間降低;

②剪下停止後或從高到低改變物料的剪下速率時,黏度隨時間恢復;

③保持剪下速率不變直到應力達到恆定值,可得到平衡流變曲線;

④反覆循環剪下可得到滯後環;

⑤無限重複循環剪下可得到平衡滯後環。

以上5種觸變性特徵現象從不同的方面反映了觸變體的流變行為。

觸變性與剪下變稀的區別

材料的觸變性和剪下變稀特性是兩個不同的概念,前者是黏度隨剪下時間的變化關係,後者是指穩態剪下黏度隨剪下速率的變化關係。材料的反觸變性和剪下增稠特性也是兩個不同的概念,不能混淆。材料或流體滯後環的差異,與材料的結構差異、受力歷史密切相關。

典型滯後環

材料的滯後環可分為正觸變環、黏彈環、含黏彈~正觸變環的滯後環、含黏彈環、應力過沖和正觸變環的滯後環以及含黏彈環、應力過沖和正反觸變環的滯後環。

觸變性是含結構材料重要而複雜的依時特性。材料受到剪下後,材料內部結構逐漸破壞,當剪下除去後,材料的結構逐漸形成;由於材料結構破壞速率和結構形成速率不同,產生滯後環。當結構形成速率大於結構破壞速率時,材料表現為黏度上升,反之則黏度下降;當二者處於動態平衡狀態時,溶液表現為平衡黏度。

觸變性與黏彈性的關係

觸變性流體 觸變性流體

值得指出的是,黏彈性流體經過三角波剪下後,可以得到一個類似反觸變環的滯後環(真實的實驗現象),說明受剪前後黏彈性材料結構變化速率存在差異,與受剪下歷史有關。

將觸變性和黏彈性嚴格地區分開來十分困難,因為二者都是依賴於時間的現象,都與流體結構變化密切相關。同一種材料可同時體現出黏彈性和觸變性,由於所受剪下條件不同,表現出不同的性質。一般在低剪下速率範圍內表現黏彈性,而在中等剪下速率以上表現觸變性。材料表現滯後環所用剪下速率的大小與材料種類有關。至今仍是一個研究熱點和難點。

觸變性的表征

為了描述非牛頓流體的觸變性行為,提出各種不同的觸變模型。其中具有代表性的有Huang方程、5參數黏彈一觸變性流體本構方程等。同時含黏彈環和正觸變環的滯後環的數學表征。

對無彈性的觸變性流體,存在聚集體和單體之間的相互轉化過程。當剪下應力作用於該流體時,聚集體結構逐漸解離為單體;當剪下應力消除時,單體將相互作用形成聚集體。由於聚集體結構破壞速率和恢復速率不一致,才表現出觸變性。

當剪下應力作用於流體上時,產生的剪下速率為多。該應力分別引起黏性流動,彈性變形和聚集體的解離 。

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