第九章 膠體分散體系的流變性質(zhì)

1、第九章第九章 膠體分散體系膠體分散體系的流變性質(zhì)的流變性質(zhì) 第一節(jié)第一節(jié) 黏度黏度與與黏度黏度測定方法測定方法 一、牛頓（一、牛頓（Newton）方程方程 各流層間存在速度差異，或者說存在速度梯度dv/dy。由于分子的熱運(yùn)動(dòng)和分子間的相互作用，那么低流速層對(duì)于相鄰高流速層便存在黏滯阻力，也就是內(nèi)摩擦力。黏滯阻力F正比于兩液層間的接觸面積A和速度梯度 F A dv/dy 變成等式： F A dv/dy 或 F/ A dv/dy 這就是Newton方程， 比例系數(shù)稱為液體的黏度 系數(shù)或黏度(viscosity coefficient)，單位是Pa.s。 圖91 管路中穩(wěn)流狀態(tài)的液體各流層流動(dòng)速度

2、分布示意圖 F/ A 是施加在單位流層面積上的力，稱為切應(yīng)力（shearing stress），用表示， 即： F/ A 的單位為Pa(即N/m2)。 速度梯度dv/dy又稱切變速度，用D表示， 即： D = dv/dy NewtonNewton方程又可以表示為：方程又可以表示為： D 關(guān)于液體的流動(dòng)狀態(tài)問題，明確兩點(diǎn)： 1. 盡管各流層的流動(dòng)速度不同，但是各層的速度是不隨時(shí)間變化的 。 2. Newton方程僅適用于流速較低的層流，此時(shí)流體的密度和黏度不隨D而變化，這樣的流體稱為Newton流體。 若流速超過某一限度時(shí)，流體中出現(xiàn)水漩，表明流動(dòng)狀態(tài)改變?yōu)橥牧?，這時(shí)Newton方程就不再適用了

3、，這樣的流體稱為非Newton流體。 此時(shí)切應(yīng)力與速度梯度的比值不再是常數(shù)，而是速度梯度的函數(shù)。液體的流動(dòng)狀態(tài)由無因次的雷諾（Raynold）數(shù) 決定：式中v為液體流速、r管路內(nèi)半徑，液體的密度。 RvrR 二、液體黏度的測定方法二、液體黏度的測定方法 1降球法降球法介質(zhì)密度為1，粒子密度為2，體積為V，恒定速度v；降球的沉降速度不能太大。 2毛細(xì)管法毛細(xì)管法 Poiseulle方程計(jì)算黏度：相對(duì)法：式中和1分別是待測液體和已知黏度液體的密度，由此式即可計(jì)算出待測液體的黏度。 vgR9)(2122 =圖92 奧氏(a)和烏氏(b) 黏度計(jì)VLtpR84tt111=3. 3. 旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)旋轉(zhuǎn)黏度

4、計(jì) 轉(zhuǎn)桶黏度計(jì)的原理。在半徑分別為R和fR長度為L的外與內(nèi)桶之間放入被測液體。令外桶以角速度旋轉(zhuǎn)，在液體黏度和切應(yīng)力的作用下，內(nèi)桶向相反的方向扭動(dòng)，直至兩個(gè)大小相等方向相反時(shí)扭矩達(dá)到平衡。與內(nèi)桶相連的扭力絲的旋轉(zhuǎn)角為，故有： = k 式中k是與儀器有關(guān)的常數(shù)，此式是旋轉(zhuǎn)法測定液體黏度的基本公式。 圖93 轉(zhuǎn)桶黏度計(jì)(a)和錐板黏度計(jì)(b)(a)(b)第二節(jié)節(jié) 稀分散體系的黏度 分散體系中分散相粒子的存在會(huì)改變液體的流動(dòng)方式，進(jìn)而增大黏度值。 圖9-4 分散相粒子改變液體流動(dòng)狀態(tài)示意圖一、EinsteinEinstein黏度公式 推導(dǎo)此公式的前提假設(shè)是： 分散介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)為層流，介質(zhì)的密度和黏

5、度為常數(shù)； 分散相為剛性小球且球面完全為介質(zhì)潤濕； 硬球遠(yuǎn)大于介質(zhì)分子，因此介質(zhì)可視為連續(xù)相；而硬球又遠(yuǎn)小于測量儀器，故可忽略壁部效應(yīng)； 分散體系濃度很稀，剛性小球間不相互影響，每個(gè)剛性小球均以一定的流動(dòng)形式存在。 )5 . 21 (0 除了和0以外還有其他一些黏度表達(dá)形式，比如代表分散相對(duì)體系黏度的貢獻(xiàn)的增比黏度sp等。 表表9 9- -1 1 常常用用的的幾幾個(gè)個(gè)表表示示黏黏度度數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)的的名名稱稱和和內(nèi)內(nèi)容容名稱符號(hào)定義IUPAC名稱黏度相對(duì)黏度增比黏度比濃黏度固有黏度特性黏度 rsp redinkr1sp /Clnr /C limred或 limink黏度比黏數(shù)對(duì)數(shù)黏度極限黏度二、二、

6、EinsteinEinstein黏度公式的偏差與偏差來源黏度公式的偏差與偏差來源 1.1.分散相的濃度分散相的濃度 因?yàn)镋instein黏度公式僅適用于分散相為球形的稀分散體系，也可以說常數(shù)2.5與體系濃度和分散相粒子形態(tài)有關(guān)。對(duì)于濃體系和非球形分散相，最簡單的修正方法是用某個(gè)數(shù)值常數(shù)取代2.5，則有： 因?yàn)轲ざ仁求w系能量消耗速率的量度 ， 則 2.5)1 (02分散相粒子的形狀 分散相為非球形粒子的體系黏度iR要大于球形粒子分散相的體系的黏度R。 比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線與理論曲線可知：軸比越大，則偏差越大；分散相濃度越大，則偏差也越大；即使很?。ǔ?，純?nèi)軇r(shí)），偏差依然存在。 這樣的結(jié)論恰恰表

7、明Einstein黏度公式是球形分散相分散體系的極限公式。圖9-5 三種不同軸比a/b的煙草斑紋病毒的r關(guān)系圖。a/b1是理論曲線，其他為實(shí)驗(yàn)曲線。3. 3. 分散相粒子的溶劑化分散相粒子的溶劑化 Einstein黏度公式中的 是干粒子體積分?jǐn)?shù)。粒子的溶劑化使每個(gè)粒子的表觀體積增大，從而使分散相體積增大，值也加大，因此必須修正Einstein黏度公式中的 值。如果以 表示溶劑化后的分散相體積分?jǐn)?shù)，則有： 對(duì)憎液溶膠 對(duì)親液溶膠 1)31 (1RR+=)1 (12211mmb+=4.4.帶電帶電分散相粒子間間相互作用 帶電的分散相粒子會(huì)產(chǎn)生幾種效帶電的分散相粒子會(huì)產(chǎn)生幾種效應(yīng)應(yīng)：帶電粒子附近存在

8、雙電層使粒子的有效體積增大；帶相同電荷的粒子在布朗運(yùn)動(dòng)作用下靠近到雙電層相互搭接時(shí)的靜電排斥作用；在電場的作用下，帶電粒子連同緊密層和部分?jǐn)U散層與離子氛向相反方向運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的松弛作用；大分子鏈段互相排斥使大分子更加伸展，而且?guī)щ娫蕉?，伸展的程度越大?圖9-6 隨帶電量和水化程度的加大，線性大分子在溶液中伸展程度增大示意圖粒子帶電引起的黏度變化的現(xiàn)象稱為電粘效應(yīng) 。增比黏度公式:)2(11 5 . 2220rsp+=5. 分散體系的多分散性分散體系的多分散性 多分散體系的黏度公式的數(shù)學(xué)處理：按照粒徑大小將分散相分成若干級(jí)分，每個(gè)級(jí)分的體積分?jǐn)?shù) 10% 。若將 的i組分加到體系中去，由Einst

9、ein黏度公式微分得到：任一級(jí)分的體積分?jǐn)?shù)與 分散相的總體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系為：積分限： 0時(shí)， ，積分結(jié)果為： 1.02.03.04.05.06.00.10.20.30.40.50 圖9-7 多分散性對(duì)黏度的影響iidid5 . 2d0 =2.50)1 (這就是多分散性對(duì)Einstein黏度公式的修正式。 三、大分子溶液的黏度三、大分子溶液的黏度 1大分子伸展程度與溶液黏度的關(guān)系 2MarkHouwink公式: 即特性黏度與大分子的分子量成正比。式中k和a均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù). lg = lgk + algM akM表表9 9- -3 3 一一些些聚聚合合物物溶溶液液的的k和和a值值（25）聚合物溶劑k1

10、05(m3/kg)a醋酸纖維素聚苯乙烯聚氯乙烯天然橡膠聚異丁烯纖維素丙酮甲苯環(huán)己酮甲苯苯銅氨溶液1.493.700.115.0210.70.850.820.621.000.670.500.81第三節(jié)第三節(jié) 濃分散體系的流變性質(zhì)濃分散體系的流變性質(zhì) 按照分散相濃度大小，將分散體系分成兩類： 自由型分散體系。 結(jié)合型分散體系。 一、濃分散體系中的結(jié)構(gòu)一、濃分散體系中的結(jié)構(gòu) 1絮凝結(jié)構(gòu)圖9-8 絮凝結(jié)構(gòu)示意圖。1.分散相粒子 2.失去穩(wěn)定性的表面區(qū)域 3.仍保持穩(wěn)定的表面 4.充滿介質(zhì)的“晶胞” 圖9-9 絮凝結(jié)構(gòu)的脫水收縮現(xiàn)象(a)收縮前 （b）收縮后 2濃縮結(jié)晶型結(jié)構(gòu) 這是粒子靠化學(xué)鍵力而結(jié)合的

11、結(jié)構(gòu)。 比如硅膠的制備和濃縮過程形成SiO交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，再如以水泥、石膏和石灰為基礎(chǔ)的建筑材料固化過程形成的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。濃縮結(jié)晶型結(jié)構(gòu)是不可逆的，不可能再返回到初始的濃分散體系，也不具有觸變性、塑性和彈性。二、各種流型二、各種流型 1Newton體 2. 塑性流體 塑性流體可以用Bingham方程取代 Newton方程來描述其流變行為： 3.假塑性流體式中k是與分散體系有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，它的大小標(biāo)志體系表觀黏度的大小，故為體系稠度的量度。 Dyvc)dd(圖910 流變曲線。a. Newton體b.塑性體 c.假塑性體 d.脹流體塑性體假塑性體牛頓體脹流體abcdc)dd(xvD )(AF圖91

12、1假塑性體完整的流變曲線nkD1nakDD 4.脹流體 及 形成脹流體必須滿足兩個(gè)必要條件： 分散體系的濃度必須適當(dāng)。 未攪動(dòng)前流體中的粒子必須是孤立存在的不發(fā)生絮凝，也就不存在任何結(jié)構(gòu) 。 nDk1nakD圖9-12 脹流體內(nèi)的結(jié)構(gòu)形成過程三、觸變觸變性 在恒溫條件下，若對(duì)具有絮凝結(jié)構(gòu)的濃分散體系施加機(jī)械作用（比如攪拌），這種結(jié)構(gòu)被破壞，尤其是棒狀、片狀和長橢球形這一類粒子會(huì)按照液體流動(dòng)的方向定向，體系的表觀黏度迅速降低；一旦外力取消，由于粒子的布朗運(yùn)動(dòng)，粒子成功的碰撞，一段時(shí)間之后，結(jié)構(gòu)重新形成，體系的黏度再度增加。這種現(xiàn)象就是流體的觸變性（thixotropy）。 隨著外力的再次施加和撤離，觸變性會(huì)反復(fù)出現(xiàn)。 決定分散體系的觸變性的主要因素有：決定分散體系的觸變性的主要因素有： 分散體系中必須有分散相粒子形成的結(jié)構(gòu) 因此凡是對(duì)結(jié)構(gòu)的形成起作用的因素皆影響觸變性。 因素包括： 分散相粒子的濃度必須很高，以致粒子的碰撞頻率很大，方有形成結(jié)構(gòu)的可能； 電解質(zhì)的濃度。電解質(zhì)的加入會(huì)壓縮粒子周圍雙電層的擴(kuò)散層，降低粒子的電位，有助于粒子的靠近而形成結(jié)構(gòu)； 溫度。溫度上升會(huì)加劇粒子的布朗運(yùn)動(dòng)，從而使粒子易于碰撞并形成結(jié)構(gòu) 分散相粒子的不對(duì)稱性影響分散體系觸