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流變學中剪切應力與剪切應變的關系

點擊次數:412 更新時間:2023-09-20

RH-30流變儀.jpg


剪應(ying)力(li)是(shi)(shi)應(ying)力(li)的(de)一(yi)種,定義為(wei)單位面(mian)積上所(suo)承受(shou)(shou)的(de)剪力(li),且力(li)的(de)方向與受(shou)(shou)力(li)面(mian)的(de)法(fa)線方向正(zheng)交。剪切應(ying)變(bian)是(shi)(shi)指物(wu)體受(shou)(shou)力(li)產生變(bian)形時,體內(nei)各點處(chu)變(bian)形程度一(yi)般(ban)并不相同,用(yong)以描(miao)述一(yi)點處(chu)變(bian)形的(de)程度的(de)力(li)學(xue)量(liang)是(shi)(shi)該點的(de)應(ying)變(bian)。簡單講就是(shi)(shi)兩個(ge)相互垂(chui)直的(de)面(mian)在受(shou)(shou)力(li)變(bian)形后(hou)以弧度表示的(de)夾角的(de)改(gai)變(bian)量(liang)。應(ying)變(bian)的(de)原因是(shi)(shi)應(ying)力(li),應(ying)力(li)的(de)結(jie)果是(shi)(shi)應(ying)變(bian)。


粘度的定義:


黏(nian)度(du)(du)也可以稱(cheng)為粘度(du)(du),是指流(liu)體(ti)(ti)對(dui)流(liu)動所(suo)(suo)表現的(de)(de)(de)阻力(li)。當流(liu)體(ti)(ti) (氣體(ti)(ti)或液體(ti)(ti)) 流(liu)動時, 一(yi)部(bu)分(fen)在另一(yi)部(bu)分(fen)上(shang)面(mian)流(liu)動時, 就受到阻力(li), 這是流(liu)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)內摩擦力(li)。要使流(liu)體(ti)(ti)流(liu)動就需在流(liu)體(ti)(ti)流(liu)動方向上(shang)加(jia)一(yi)切線力(li)以對(dui)抗(kang)阻力(li)作用。黏(nian)度(du)(du)系數(shu) (簡稱(cheng)黏(nian)度(du)(du))η的(de)(de)(de)物理意(yi)義(yi)是:在相距(ju)單(dan)位(wei)距(ju)離的(de)(de)(de)兩液層中, 使單(dan)位(wei)面(mian)積(ji)液層維持單(dan)位(wei)速度(du)(du)差所(suo)(suo)需的(de)(de)(de)切線力(li)。


對于簡單流體,在(zai)層流情(qing)況下(xia)推(tui)力與推(tui)動(dong)速度成正比,其中的比例(li)因子η稱為(wei)黏度系數(粘度)


粘度概念最初來自牛頓(dun)對簡單流(liu)體的(de)研(yan)究,后(hou)來轉變(bian)為一(yi)種定義(yi)(yi),即不管實際(ji)流(liu)體是否呈現如上正(zheng)比關系,在一(yi)定的(de)剪(jian)(jian)(jian)切(qie)速(su)率下(xia),將剪(jian)(jian)(jian)切(qie)應力與剪(jian)(jian)(jian)切(qie)速(su)率的(de)比值定義(yi)(yi)為該剪(jian)(jian)(jian)切(qie)速(su)率下(xia)的(de)表觀剪(jian)(jian)(jian)切(qie)粘度,簡稱粘度


粘度的測量(liang):


通常將流(liu)體夾于上海保(bao)圣RH-30流(liu)變(bian)儀一(yi)動(dong)板與一(yi)靜(jing)板之(zhi)間,動(dong)板以可控速率(lv)旋轉,測量轉動(dong)所(suo)需(xu)的(de)力,由此計算粘度。


在一(yi)定的溫(wen)度下(xia),粘度是剪(jian)切(qie)(qie)速率(lv)的函數(shu)。大(da)多(duo)數(shu)實際流(liu)體表現為(wei)(wei)非牛(niu)頓性(xing)質(以剪(jian)切(qie)(qie)變稀較(jiao)為(wei)(wei)常見),包含某些速率(lv)范圍內的牛(niu)頓區。


牛頓流(liu)(liu)體(ti)(ti):任一點(dian)上的(de)(de)剪(jian)應力(li)都同剪(jian)切變形(xing)速(su)率(lv)呈線性(xing)函數(shu)關系的(de)(de)流(liu)(liu)體(ti)(ti)稱(cheng)為牛頓流(liu)(liu)體(ti)(ti)。自(zi)然界中(zhong)許多(duo)流(liu)(liu)體(ti)(ti)是(shi)牛頓流(liu)(liu)體(ti)(ti)。水、酒(jiu)精等(deng)大(da)(da)多(duo)數(shu)純液體(ti)(ti)、輕質油(you)、低分(fen)子化合物溶液以及低速(su)流(liu)(liu)動的(de)(de)氣體(ti)(ti)等(deng)均為牛頓流(liu)(liu)體(ti)(ti)。這些體(ti)(ti)系微觀上以小分(fen)子的(de)(de)高速(su)無規則運動為主(zhu),以常(chang)規的(de)(de)剪(jian)切速(su)率(lv)很難觀察到分(fen)子取(qu)向有序化而降低剪(jian)切應力(li)的(de)(de)作(zuo)(zuo)用(yong)。而大(da)(da)分(fen)子/顆粒(li)/膠粒(li)/乳(ru)濁液滴等(deng)較大(da)(da)尺度的(de)(de)運動單元所占比例甚低,不(bu)起主(zhu)導作(zuo)(zuo)用(yong)。


剪(jian)(jian)切變(bian)稀(xi):剪(jian)(jian)切變(bian)稀(xi)也稱為切力(li)變(bian)稀(xi),是在(zai)(zai)加工高(gao)聚(ju)(ju)物熔體(ti)、高(gao)聚(ju)(ju)物流(liu)(liu)(liu)體(ti)等(deng)假塑性流(liu)(liu)(liu)體(ti)的(de)(de)(de)過程(cheng)中(zhong),表觀粘(zhan)度(du)(du)隨(sui)(sui)著切應力(li)的(de)(de)(de)增加而減小的(de)(de)(de)現(xian)象。高(gao)分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)在(zai)(zai)流(liu)(liu)(liu)動(dong)時各液(ye)層間總(zong)存(cun)在(zai)(zai)一定(ding)的(de)(de)(de)速度(du)(du)梯度(du)(du),細而長的(de)(de)(de)大(da)分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)若(ruo)同(tong)時穿過幾個(ge)流(liu)(liu)(liu)速不(bu)(bu)(bu)(bu)等(deng)的(de)(de)(de)液(ye)層時,同(tong)一個(ge)大(da)分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)各個(ge)部(bu)分(fen)(fen)(fen)就(jiu)(jiu)要(yao)以(yi)不(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)速度(du)(du)前進,這種情況顯然是不(bu)(bu)(bu)(bu)能持久(jiu)的(de)(de)(de)。因此,在(zai)(zai)流(liu)(liu)(liu)動(dong)時,每個(ge)長鏈分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)總(zong)是力(li)圖(tu)使(shi)自己全(quan)部(bu)進入同(tong)流(liu)(liu)(liu)速的(de)(de)(de)流(liu)(liu)(liu)層。不(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)流(liu)(liu)(liu)速液(ye)層的(de)(de)(de)平(ping)行分(fen)(fen)(fen)布就(jiu)(jiu)導致了大(da)分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)在(zai)(zai)流(liu)(liu)(liu)動(dong)方(fang)向上的(de)(de)(de)取(qu)向。這種現(xian)象猶(you)如河流(liu)(liu)(liu)中(zhong)隨(sui)(sui)同(tong)流(liu)(liu)(liu)水一起(qi)流(liu)(liu)(liu)動(dong)的(de)(de)(de)繩子(zi)(zi)(細而長)一樣,它們總(zong)是自然地順著水流(liu)(liu)(liu)方(fang)向縱向排列的(de)(de)(de),聚(ju)(ju)合物在(zai)(zai)流(liu)(liu)(liu)動(dong)過程(cheng)中(zhong)隨(sui)(sui)剪(jian)(jian)切速率或剪(jian)(jian)切應力(li)的(de)(de)(de)增加,由于分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)取(qu)向使(shi)黏度(du)(du)降低。常見體(ti)系包括乳液(ye)、懸(xuan)浮液(ye)、大(da)分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)溶液(ye)、膠體(ti)、以(yi)及(ji)高(gao)分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)熔體(ti)。


剪(jian)(jian)切(qie)速(su)率(lv)越大 ,微觀單元沿剪(jian)(jian)切(qie)方(fang)向(xiang)的取向(xiang)度越大,對于(yu)層流,層間“糾纏(chan)"減少,流動阻力下(xia)降。


剪(jian)切(qie)(qie)增(zeng)稠(chou)(chou):體(ti)系粘(zhan)度隨著剪(jian)切(qie)(qie)速(su)率或(huo)(huo)(huo)剪(jian)切(qie)(qie)應(ying)力的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)展現(xian)(xian)出(chu)個(ge)數量級(ji)增(zeng)加(jia)的(de)(de)(de)非牛頓(dun)(dun)流體(ti)行為(wei)。這類(lei)懸浮(fu)(fu)液(ye)往往在低剪(jian)切(qie)(qie)速(su)率和應(ying)力下首先表現(xian)(xian)為(wei)剪(jian)切(qie)(qie)變(bian)(bian)稀。當(dang)(dang)應(ying)力或(huo)(huo)(huo)速(su)率超出(chu)臨界值時,有組織的(de)(de)(de)流動(dong)狀態被打亂(luan),顆(ke)粒運動(dong)互(hu)相阻礙或(huo)(huo)(huo)形成(cheng)團聚體(ti),粘(zhan)度明(ming)顯增(zeng)大(da),甚至(zhi)出(chu)現(xian)(xian)類(lei)似固體(ti)的(de)(de)(de)彈性相應(ying)。剪(jian)切(qie)(qie)增(zeng)稠(chou)(chou)現(xian)(xian)象常見于高濃度的(de)(de)(de)納(na)米或(huo)(huo)(huo)微米級(ji)顆(ke)粒和牛頓(dun)(dun)流體(ti)組成(cheng)的(de)(de)(de)懸浮(fu)(fu)體(ti)系中。但是,當(dang)(dang)改變(bian)(bian)剪(jian)切(qie)(qie)條件時,這種濃懸浮(fu)(fu)液(ye)同樣可以表現(xian)(xian)出(chu)剪(jian)切(qie)(qie)變(bian)(bian)稀、牛頓(dun)(dun)等流變(bian)(bian)行為(wei)。


流(liu)變學測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)是觀察高分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)材(cai)料(liao)(liao)內部結構(gou)的(de)窗口,通過高分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)材(cai)料(liao)(liao),諸如塑料(liao)(liao)、橡膠、樹脂中不同尺度分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)鏈的(de)響應(ying),上海保(bao)圣(sheng)RH-30流(liu)變儀可以表征高分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)材(cai)料(liao)(liao)的(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)量(liang)(liang)(liang)(liang)和分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)量(liang)(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)布,能(neng)快速、簡便、有效地進行原材(cai)料(liao)(liao)、中間產(chan)品和最終產(chan)品的(de)質量(liang)(liang)(liang)(liang)檢(jian)測(ce)和質量(liang)(liang)(liang)(liang)控制。流(liu)變測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)在高聚物的(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)量(liang)(liang)(liang)(liang)、分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)量(liang)(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)布、支化度與加(jia)(jia)工性(xing)(xing)能(neng)之間構(gou)架了(le)一(yi)座橋梁,所(suo)以它提供(gong)了(le)一(yi)種直接的(de)聯系(xi),幫助用(yong)戶進行原料(liao)(liao)檢(jian)驗、加(jia)(jia)工工藝設計和預測(ce)產(chan)品性(xing)(xing)能(neng)。


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