标题为何要做有关流变的测量（四)

4.1流变学的介绍 Webster’s Dictionary定义流变学为 ”材料的流动与形变的研究，其中包含弹性，黏度，和塑性。” 在这章中，我们定义黏度为 “流体分子的吸引力所引起的内在摩擦力，此摩擦力会抵抗流体的流动。” 你的Brookfield黏度计测量此摩擦力，然后作为研究流变学的工具。此章的目的是要使你了解不同形式的流动行为以及使用Brookfield黏度计作为研究流变行为的仪器以帮助你处理任何真实流体的分析。这项信息对于黏度计的使用者提供相当的帮助，特别是对于以黏度测量作为理论和学术方面探讨的研究者而言。 4.2黏度 黏度是测量流体内在摩擦力的所获得的数值。当某一层流体的移动会受到另一层流体移动的影响时，此摩擦力显得极为重要。摩擦力愈大，我们就必须施予更大的力量以造成流体的移动，此力量即称为 ”剪切（shear）”。剪切发生的条件为当流体发生物理性地移动或分散，如倾倒、散布、喷雾、混合等等。高黏度的流体比低黏度的材料需要更大的力量才能造成流体的流动。 牛顿以图4-1的模式来定义流体的黏度。两不同平面但平行的流体，拥有相同的面积”A”，相隔距离”dx”，且以不同流速”V1”和”V2”往相同方向流动，牛顿假设保持此不同流速的力量正比于流体的相对速度或速度梯度，即： F/A ＝ ηdv/dx 其中η与材料性质有关，我们称为”黏度”。 速度梯度，dv/dx，为测量中间层的相对速度，其描述出液体所受到的剪切，我们将它称为”剪速（shear rate）”，以S表示；其单位为时间倒数（sec-1）。 F/A项代表了单位面积下，剪切所造成的合力，称为”剪力（shear stress）”，以F代表；其单位为”达因每平方公分（dyne/cm2）”。 使用这些符号，黏度计可以下列数学式定义： η＝黏度＝F/S＝剪力/剪速 黏度的基本单位为 ”poise”。我们定义一材料在剪力为1达因每平方公分、剪速为1 sec-1下的黏度为100 poise。测量黏度时，你可能会遭遇到黏度的单位为 “Pa˙s” 或 “mPa˙s” 的情况，此为国际标准系统，且有时较被公制命名所接受。1 Pa˙s等于10 poise；1 mPa˙s等于1 cp。 牛顿假设所有的材料在固定温度下，黏度与剪速是没有相关的，亦即两倍的力量可以帮助流体移动两倍的速度。 就我们所知，牛顿的假设只有部分是正确的。 4.3牛顿流体 牛顿称具有此形式流动行为的所有流体，皆称为”牛顿（Newtonian）”，然而这只是你可能遭遇到的流体中的其中一种而已。牛顿流体的特性可参考图4-2；图A显示剪力（F）和剪速（S）之间为线性关系；图B显示在不同剪速下，黏度皆保持一定。典型的牛顿流体为水与稀薄的机油。 上述代表的意义即为在固定温度下，不论你所使用的黏度计型号、转子、转速为何，牛顿流体的黏度皆保持一定。标准Brookfield黏度值为以Brookfield仪器在某一剪速范围内所测之值，这就是为什么牛顿流体可以在所有我们的黏度计型号下操作。牛顿流体明显地为最容易测量的流体－只要拿出你的黏度计并操作它即可。不幸的是，更常见且更复杂的流体－非牛顿流体，我们将在下一节中介绍。 4.4非牛顿流体 非牛顿流体概略的定义为F/S的关系不为常数，亦即当施予不同的剪速，剪力并不随着相同比例变化（或甚至同一方向）。这些流体的黏度会受到不同剪速的影响，同时，不同型号黏度计的设定参数、转子、转速都会影响到非牛顿流体的黏度值。此测量的黏度值称为流体的”表观黏度（apparent viscosity）”，其值为正确的只有当实验的参数值被正确的设定且精准的测得。 非牛顿流体流动可以想象成流体为不同形状和大小的分子所组成，当它们流经彼此，亦即流动发生时，需要多少力量才能移动它们将取决于它们的大小、形状及黏着性。在不同的剪速下，排列的方式将会不同，而且需要更多或更少的合力才能保持运动。 辨别不同非牛顿流体的行为，可由剪速的差异得到流体黏度的变化，常见非牛顿流体的形式包括： 拟塑性的（pseudoplastic）：此形式流体的特性为当剪速增加时，会伴随着流速的减少，如图4-3，其可能为最常见的非牛顿流体。拟塑性流体包括油漆、乳液和各种不同形式的流体。此类流体的行为有时候可称为”shear thinning”。 膨胀性的（diltant）：膨胀性的流体其特性为流速随着剪速的增加而增加，如图4-4。虽然膨胀性流体不如拟塑性流体常见，然而膨胀性流体常可由存在有不会聚集固体的流体中看到，如泥浆、糖果合成物、玉米淀粉类与水的混合物以及沙/水混合物。此类流体的行为也可称为”shear thickening”。 塑性的（plastic）：此类流体的行为就如同固体处在静电的环境中。在流体流动前，我们就必须先施予流体某一力量，此力量称为“屈服力（yield value）”。此类流体典型的例子为蕃茄酱，其产值造成蕃茄酱无法直接从罐子中倒出，除非我们先摇动或敲击。当产值超过上限值时，流体开始流动。塑性流体包含有牛顿流体、拟塑性流体、膨胀性流体的特性，如图4-5所示。 到目前为止我们只有讨论非牛顿流体剪速的效应，当我们同时考虑时间效应时，有会有什么问题发生此问题使得我们必须讨论其它两类非牛顿流体：”摇变性的（thixotropic）” 和 “流变性的（rheopectic）”。 4.5摇变性和流变性 一些流体在相同剪速下放置一段时间，其黏度会随着时间有所变化，具有此现象的流体可分为两类： 摇变性：如图4-6所示，摇变性流体在相同剪力下，其黏度会随着时间的增加而下降。 流变性：此性质与摇变性质正好相反，此类流体在相同剪速下，其黏度会随着时间的增加而增加，如图4-7所示。 在流体中，摇变性与流变性质有可能与先前提到的流体行为同时发生，或发生在某些特定的剪速下。时间对于流体的影响变异极大；在相同的剪速下，一些流体达到其终端速度可能约几秒钟，而有些可能就必须几天的时间。 具有流变性质的流体并不常遇到，然而具有流变性质的流体则常可从油脂、印刷染料、油漆中看到。 当我们改变摇变性质流体的剪速时，其行为如图4-8所示。在剪力对剪速的作图中，剪速会先增加至某一数值，然后立刻下降至起始点。注意”上升”与”下降”曲线并不为同一条。此”磁滞循环（hysteresis loop）”为流体流速的减小伴随着剪切时间的增加所造成，此效应可能或不可能为可逆的；一些摇变性流体如果允许一段时间的不扰动，将能回到其初始速度，然而一些流体则否。 当然，具有流变性质的流体在黏度测量技术上具有很深远的影响，在4-7节中我们将讨论这些效应，及处理这些效应的方法。第五章中将介绍以先进的数学技巧分析不同状况下的流体行为，然而，我们将先讨论层流（laminar）和紊流（turbulent）对于黏度测量的影响。 4.6层流和紊流 黏度的定义暗示了”层流”的存在：流体流动时，每一层间不存在有物质的传送，黏度的行为即为这些层间的摩擦力。 基于很多因素下，有些流体在最大流速时，每一层流体间会受到另一层流体移动的影响，同时质量传送亦会发生，此称为”紊流”。在此过程中，分子或更大的粒子从某一层跳跃至另一层，并不断的释放能量。此现象的结果即在同一速度下，紊流必须比层流输入更多的能量，才能继续保有此一现象。 在与层流相同的剪速下，此额外输入的能量，可以经由明显变大的剪力观察出来，此结果会导致得到较高速度的读数。 由层流转变为紊流的临界点受到很多因素影响，除了造成流体流动的流速以外。材料的流速、比重、黏度计转子的形状和样品槽都会影响此临界点。 分辨紊流和膨胀性流体的行为需要非常小心（参照4.4节）。通常具有膨胀性质的材料，其黏度会随着剪速的增加而持续地增加；紊流的特性则为在特定剪速下，黏度会突然且不间断地增加。在临界点以下时，材料的流动行为可能为牛顿或非牛顿行为。 由于大部分Brookfield黏度计是在相对上较低剪速下操作，因此你基本上不太可能遭遇到紊流的情况，除非你使用LV系列黏度计测量黏度流体黏度小于15cp，或其余型号的黏度计测量黏度低于85cp。流体的黏度愈高，愈不可能有紊流的情况发生。如果测量低黏度流体时发生紊流的现象，可以使用附属的超低黏度接头消除紊流现象（参照2.1.5节）。 4.7什么因素影响流变性质？ 黏度的数据通常具有”透视（window through）”的功能，材料的其余性质可以经由黏度获得。由于黏度比其它性质更容易测量，因此黏度可以作为判别材料特性的工具。在这章的前半段，我们讨论了不同型式的流变行为及判断它们的方法，经由材料流变性质的判定，你可能会想了解这项信息暗示了材料的哪些特性。在这一节中，我们搜集了多年来顾客使用黏度计所遇到”难题”的经验，并让你知道你的黏度计是如何神奇地帮助你解决这些问题。 4.7.1温度 最有可能影响材料流变行为的其中一种因素为温度。一些材料对于温度非常敏感，且对于黏度变化会出现相对较小的变异；另外一些材料则对于温度具有较小的敏感性。温度效应对于黏度的影响在材料材料使用及制程上的判别上是基本的，此类材料如机油、油脂和热融性黏着剂。 4.7.2剪率 非牛顿流体倾向为一个规则，而不是真实世界之外的例子，且其提供了研究流变学应用的人们对于剪率效应的认识。例如若将膨胀性流体输入系统中，虽然其只是单单将固体打入泵中，但却会对系统带来异常的终止。虽然这是一个极端的例子，然而剪率对于系统影响的重要性确实是不能被低估的。 当材料必须在不同的剪率下使用时，先了解操作剪率下的黏度行为是基本的，如果你不了解这些行为，至少需先做估计，黏度测量应该要在预估的剪速值与真实数值相近下操作才有意义。 测量黏度时，若剪率的范围在黏度计以外时，此时是不可能大略测出剪率值的，在此情况下，我们就必须在不同剪率下测量黏度值，再以外插得到欲操作剪速下的黏率值。这虽然不为最精准的方法，但确为获得黏度信息的唯一替代方法，特别是当欲操作剪率特别高时。事实上，在多个不同剪率下作黏度的测量以观察程序或使用上的流变行为才是适当的。如果不知道样品剪率值或剪率不重要时，以速度和转速作图即已足够。 材料在制程或使用上会受到剪率影响的例子有：油漆、化妆品、乳液、涂布、一些食品和人类循环系统中的血液，下表为流体不同剪速下的典型例子： 状况 典型的剪率范围（s-1） 应用悬浮溶液中沉淀的微细粒子 10-6-10-4 药品，油漆表面张力造成的液面水平现象 10-2-10-1 油漆，印刷墨水重力影响下的排水现象 10-1-101 油漆，涂布，厕所的漂白剂挤出机 100-102 高分子咀嚼和吞咽 101-102 食物含浸涂布 101-102 油漆，糖果制造混合和搅拌 101-103 液体制造管路输送 100-103 打气，血液流动喷雾和刷净 103-104 喷雾干燥，油漆，燃料雾化摩擦 104-105 乳脂的应用及化妆水在皮肤上的行为在流体中研磨染料 103-105 油漆，印刷墨水高速涂布 105-106 纸润滑 103-107 石油工业 4.7.3测量状况 材料在测量黏度时的状况可以想见对于测量的结果会有影响，因此在作测试时，对于环境的控制与了解是非常重要的。第一， 在3.3节中提到的黏度测量技术必须确实实行。测试的参数，包括黏度计型号、转子/转速的组合、样品槽大小、有无脚架存在、样品温度、样品制备技术等等，所有参数不止会影响到测量的准确性，同时会影响你所测量材料的真实黏度。第二， 其余影响黏度较不明显的因素也要考虑到，例如对于压力敏感的样品，如牙齿模子材料，熔炉的气流，熔渣，血液和黏液，这些材料在测试时的压力控制是必须的。 另外一个可能影响黏度测量结果的因素样品的均匀度。若能提高样品的均匀度，则容易得到一致的结果，然而大部分的材料都有趋向分为非均匀层的性质，所以在你做搅拌或摇晃样品的动作时，小心不要太严重扰动样品。 4.7.4时间 在剪切的环境下，时间明显地影响材料的摇变性质和流变性质，但是就算样品不受剪力影响，其黏度仍会随着时间而改变，因此在选择与准备样品作黏度测量时，时间的效应是必须做考量的，此外，当样品在程序中有产生化学反应时，材料的黏度也会有所变化，因此在反应某一段时间所做的黏度测量与另依时间所做的结果会有所不同。 4.7.5压力 压力的变化可能会造成：分解气体产生气泡；扩散或气体的进入造成体积的改变，和紊流现象。压力影响并不如其它参数般常见，其会压缩流体，增加分子内的阻力。在高压下，液体会受到压力压缩所影响，此现象与气体相同，然程度上较小，亦即增加压力会增加黏度，如下述例子：高浓度的泥浆（粒子体积约占70-80%以上），其不含有足够的液体，使液体不能完全进入粒子间的空隙中，导致了三相系的形成（即固体、液体和通常是空气）。由于空气的存在，混合物因此可压缩，亦即你压缩更多，流动的阻力愈大。 4.7.6前处理 在样品测量黏度前，前处理可能会影响黏度测量的结果，特别是流体会受到热或时间的影响，亦即样品保存状况和样品准备技术必须设计将影响黏度效应的因素减至最低，特别是摇变性材料会受到准备工作的影响，如搅拌、混合、倾倒、或是其它可能使样品产生剪切的动作。 4.7.7组成和添加物 材料的组成是影响黏度的一个参数，当组成改变后，不管是组成物质的比率或其它物质的添加，黏度的改变都是可能的。 4.7.8 分散相及凝胶剂之特定特征 分散相及凝胶为在液相中散布有一种或多种固相的多相物质，并可藉一系列的参数因子影响其流变性质。此外有很多因子都已在先前探讨过，具特征性质的多相物质亦为此类因子效应之一，我们讨论如下。 主要的特征性质研究着重于物质试样的凝聚状态。是否有粒子的出现使固相分离或区隔出来，或者它们凝聚变厚程度；多大的凝块状？又紧密及黏着程度如何？假若凝块（如絮状）于分散相中占有很大的体积，则黏度于此状态下将趋向于比占据较小体积者为大。这是因为在分散相中所需消耗固态物质的力量变大。 当如絮物质在分散相中凝结时，凝结的应力反应导致了shear-thinning（凝塑性流体）而在较小的应变时凝聚效应可能发生变化，但它依然还是完整的状态，当应变增加时聚集效应可能被破坏而形成单独的如絮物以降低摩擦和黏度（有关凝塑性流体的现象可参见第4.4节） 假设凝聚态的键结力量十分强大的话，那么系统有可能会显现出“yield value“（参见第4.4节中关于塑性流体的部份），而这巨大的yield value来自于打断这些键结所需的力量。 假若物质的胶结结构随时间而遭外加应力破坏的话，我们可以观察到一个关于时间函数形态的流体行为（参见第4.5节），如果在一些甚至是全部的凝聚态结构遭破坏时则应变会变小，而物质的黏度可能要比先前在相同黏度下为低。因为如絮勿在破坏后开始产生联结，此联结速率大小所需的时间影响可使黏度到达先前大小，假如再联结速率够快的话，则黏度将会显现出和先前一样。相反的话，再联结速率慢，黏度将会变小，这种在流变学行为导致的结果称为“摇溶现象“（参见第4.5节）。 在分散相中所受的引力大于物质介于分散相及液相中所表现出的界面力，这将间接影响系统的流变行为。然而，系统中凝聚或非凝聚的媒介诱因是一种控制流变行为的方法。 构成分散相中的粒子形状也可藉此量测系统的流变行为。在一个流动介质环境下，静止的粒子为一转动态。如果粒子本身为球状的话，转动会自发。然而，如果粒子是针状或平板状的话，则转动的发生就很难预测，因其受众多应变效应影响。 当在一个多相系统中量测黏度时，分散相的稳定度为一特殊的临界参考。假若分散相倾向于较稳定的话，则产生一非均质流体，而系统的特征流变性质也将随之改变。在大部分的例子里，这表示量测的黏度值将变小。而在这期间所量测的值通常都为偏差值，我们必须留心并仔细确定静止时的分散相性质。