(25)-6.1流體的基本性質(zhì)

流體的基本性質(zhì)P1：同學們好，今天我們來學習流變學的知識——流體的基本性質(zhì)。大家想一下，流體是什么？顧名思義，就是具有流動性的物體，一般是指液體或者半固體。那么不同液體的流動性是不一樣的，比如我們喝的水、喝的蜂蜜，二者的流動性是顯著不同的。所以這次課程，我們就要學習一下不同流體流動性的特點。本次課程內(nèi)容包括兩個方面：分別是牛頓流體和非牛頓流體，非牛頓流體又可分為塑性流體、假塑性流體、脹性流體、觸變性流體四種。我們先看一下具體的學習要求：掌握牛頓流體的概念；熟悉非牛頓流體的曲線特征；了解非牛頓流體的代表性體系。P2：好，首先我們先來學習第一個部分內(nèi)容，牛頓流體。物理學家牛頓，在物體黏性方面也有很深的研究，提出了一個關(guān)于黏性的定律，我們稱為牛頓黏性定律。對于純液體以及低分子溶液，層流條件下剪切應力（S）與剪切速率（D）成正比。那么遵循該法則的液體，就稱為牛頓流體。對于牛頓流體，剪切速率越大，剪切應力也就越大，二者之間成正比關(guān)系，那么就會有一個固定的系數(shù)，即：黏度。也就是說，在牛頓流體里，體系的黏度是不變的。P3：下邊我們通過數(shù)學圖例來表示牛頓流體的特點。牛頓流體的剪切速率D與剪切應力S之間呈正比，那么以S和D為橫縱坐標作圖，就可以得到一條直線，且該直線經(jīng)過原點。大家想一下經(jīng)過原點代表什么意義？也就是說，剪切速率和剪切應力是同時存在的，沒有剪切應力時，就沒有剪切速率，即流體是靜止的。P4：好，以上是牛頓流體的性質(zhì)。那么在生活中，純液體和低分子溶液畢竟只是少部分，還有很多的其他液體，比如高分子溶液、膠體溶液、乳劑、混懸劑、軟膏劑等，這些流體的性質(zhì)比較復雜，就不再適用于牛頓黏性定律。我們就把這些凡不遵循牛頓黏性定律的流體統(tǒng)稱為非牛頓流體。那么所有非牛頓流體的共同點就在于：其剪切應力與剪切速率不是常數(shù)。P5：根據(jù)非牛頓流體的剪切速率D和剪切應力S的變化規(guī)律，經(jīng)作圖后可得四種曲線類型：塑性流體、假塑性流體、脹性流體、觸變性流體。下邊我們分別了解一下。P6：首先看塑性流體。當外加剪切應力較小時，物體不流動，只發(fā)生彈性形變；當剪切應力增加超過一定程度，液體才開始流動，這時候的剪切速率D和切變應力S呈直線關(guān)系。液體的這種性質(zhì)稱為塑性流動。引起液體流動的最低剪切應力，我們稱之為屈伏值S0。同學們可以想象一下把牙膏或者藥膏開口朝下，雖然受到重力的下壓，但不會流出來。P7：好，根據(jù)塑性流體的特點，其流動曲線應該是：曲線不經(jīng)過原點，在橫軸S軸上的某處有交點S0，為屈伏值。當剪切應力S<S0時，為彈性體，相當于發(fā)生了一個彈性形變，流動尚未發(fā)生，此時剪切速率為0；當剪切應力S超過S0后，流體的流動才開始，才開始有剪切速率，這時與牛頓流體相似，為黏性流體。塑性流體典型代表的劑型主要有：濃度較高的乳劑、混懸劑。P8：下面我們再看假塑性流體。這種流體的特點是：只要加上很小的剪切應力就發(fā)生流動，并且，隨著剪切應力的增大，剪切速率以越來越大的速率增加，即表觀黏度隨著剪切應力的增大而減小，這種流體稱為假塑性流體。也就是說，這種流體是越攪越稀的。舉個類似例子，比如生活中的流沙或者沼澤，如果人陷進去，越掙扎陷進去的越快，其實就是這種原理。那么假塑性流動的特點：沒有屈服值；流變曲線斜率越來越陡。 P9：我們來看假塑性流體的曲線形式，是一條向上傾斜的曲線，或者說內(nèi)凹的曲線，斜率越來越大。另外曲線也是過原點的。那么在藥劑中的劑型主要是：含長鏈單分子聚合物或形狀不規(guī)則顆粒的分散體系，如：甲基纖維素、淀粉、高分子溶液等。P10：再來看脹性流體。脹性流體和假塑性流體的特點正好相反。其表觀黏度隨著剪切應力的增大而增加，這種流動稱為脹性流動，也稱剪切增稠流動。該類液體稱為脹性流體。也就是說，這種流體是越攪越稠的。同樣舉個例子，比如家里用面粉加上水活漿糊，越攪越稠，其實就是一種脹性流體。P11：這是脹性流體的曲線圖。其特點是：曲線經(jīng)過原點；且隨著切變應力的增大其粘性也隨之增大，表現(xiàn)為往外凸的曲線。P12：最后一種是觸變性流體。觸變性是什么意思呢：即是說，在一定溫度下，非牛頓流體在剪切力的作用下，黏性減少、流動性增大，當外界剪切力停止或減少時，體系的黏度隨時間延長而恢復原狀，這種現(xiàn)象稱為觸變性（thixlotropy）。這種流體和前邊所提到的牛頓流體和三種非牛頓流體有一個顯著的區(qū)別，前邊的這些流體的流變性質(zhì)均是與時間無關(guān)的，就是說，給流體施加一個力，就產(chǎn)生流變的性質(zhì)，撤掉力之后，流變也立刻停止。而觸變性流體其流變性質(zhì)與時間有關(guān)，即是說，撤掉力之后，它自身仍會發(fā)生緩慢的流動變化，有一個時間的滯后性。P13：我們來看一下觸變性流體的曲線。施加剪切應力后，剪切速率越來越大，也就是體系越來越稀。到頂點時，撤掉力，又緩慢的恢復原來的性狀。那么為什么會產(chǎn)生這種現(xiàn)象？原因就在于對流體施加剪切力后，破壞了液體內(nèi)部的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當剪切力減小時，液體又重新恢復原有結(jié)構(gòu)，恢復過程需要時間，因而上行線和下行線就不重合。P14：好，以上就是本節(jié)課程的內(nèi)容。我們來總結(jié)一下：牛頓流體中，剪切應力與剪切速率是線性的，且過原點。塑性流體，不過原點，有滯后屈服值，之后也是線性。假塑性流體和脹性流體