膠體的流變性質(zhì)

1、六、膠體的流變性質(zhì) rheologic,何謂“流變性質(zhì)”？,流變性質(zhì)：是指物質(zhì)在外力作用下的變形、和流動的性質(zhì),膠體的流變性質(zhì)關(guān)聯(lián)到許多重要的生產(chǎn)問題如油漆、鉆井液、√果醬、√血液粘度—血栓、瀝青、陶土的成形,膠體流變性質(zhì)常用來估計質(zhì)點的大小、形狀，及質(zhì)點與介質(zhì)間的相互作用,,如果所調(diào)油漆太稠,會造成流平度不佳, 可能產(chǎn)生裂痕,油漆一次刷得太厚，即會造成流淌,刷的太薄—不均勻,刷得太厚—流淌,,

2、,鉆井液的流變性對鉆井工作的影響,,鉆井液又稱為鉆井用泥漿，在鉆井過程中用泵將鉆井液送入孔中可以保證高效、安全鉆井，防止井漏、井噴,對其要求是：高剪切速率下要求鉆頭處鉆井液的粘度要低，低有利于高壓噴射鉆井,低剪切速率下要求（環(huán)空內(nèi)）粘度增加既有利于帶沙、提屑，利用較粘稠的泥漿可起到好的粘結(jié)護壁作用,要使制品粒子均勻分散性更好，還要使得果醬中質(zhì)體不離析,果醬太黏：果醬太?。?去醫(yī)院驗血，己不再是”血粘度檢查”，而是”

3、血液流變學(xué)檢查”，什么叫血液流變學(xué) ?,1920年，Binham首先提出流變的概念：在應(yīng)力的作用下，物體可產(chǎn)生流動與變形；1948年，Copley提出生物流變的概念， 血液、淋巴液、玻璃體，軟組織如血管、肌肉、晶體、骨骼，細(xì)胞質(zhì)均可發(fā)生流變；1951年，開始研究血液及其有形成分的流動性與形變規(guī)律的血液流變學(xué)；,粘度是衡量物質(zhì)粘稠程度的物理量，物質(zhì)的流動性與其粘稠程度有很大關(guān)系。如水、牛奶很稀易于流動，而油、瀝青就很

4、粘稠不易流動。,血具一定粘度，這是因為血液中含多量紅細(xì)胞、白細(xì)胞、血小板等。血漿中含各種蛋白，尤其紅細(xì)胞的軟硬程度、聚集能力、變形能力等影響血液粘度,研究全血在各切變率下的表現(xiàn)粘度稱為宏觀流變學(xué)了解和掌握血液在人體內(nèi)的流動狀態(tài)，是處于生理狀態(tài)還是處于病理狀態(tài)宏觀血液流變學(xué)檢驗重要指標(biāo)為：血液粘度、血漿粘度、血沉、血液及管壁應(yīng)力分布,研究血液有形成分的流變學(xué)，如紅細(xì)胞的變形、聚集、表面電荷等， 血細(xì)胞流變學(xué)紅細(xì)胞聚集性、

5、紅細(xì)胞變形性、血小板聚集性、血小板地帶網(wǎng)粘附性等， 細(xì)胞流變學(xué)從分子水平研究血液成分的流變特性， 分子血液流變學(xué),血流變儀,流變性與非牛頓流體的概念密切相關(guān),1、基本概念和術(shù)語⑴ 切變速度、切應(yīng)力與粘度 最熟悉的流變性質(zhì)是粘度，粘度表示液態(tài)物質(zhì)在流動時內(nèi)摩擦力的大小。 為了給粘度下定義，先來分析一下液體的流動：,在

6、流速較慢的河里，河道各處水流方向雖一致，但速度卻很不相同。此時，可以把流動的液體看作相互平行移動的液層,,,,,,,,河的中心處水流最快越靠近河岸，水流越慢,離河岸的距離,水的流速,由于各層的流速不同，便形成速度梯度。流動慢的液層阻滯著較快流動的液層運動產(chǎn)生了流動阻力。,凡是符合牛頓公式的流體稱為牛頓流體；反之為非牛頓流體；,液層要維持一定的速度梯度流動，必須獲得一個與流動阻力相反的反向力。這個力稱為切力τ ，單位是N/m

7、2。速度梯度也叫切變速度D，簡稱切速。切速與切力間的關(guān)系式稱為牛頓公式：,η為粘度,血液在血管內(nèi)作穩(wěn)態(tài)流動時分為許多液層，每層流速不同， 愈靠近血管中心，流速愈快，距血管中心愈遠(yuǎn)，流速愈慢。 管壁處的血液附著在管壁上，流速為零。稱為血液的層流。,全血粘度測定也使用這個模型 空腹靜脈血5ml,以肝素

8、或EDTA鹽抗凝，4h內(nèi)測定 全血粘度的報告方式一般包括高、低切變率下的粘度,在層流中，單位距離的血液的液層流速不同，層間速度差叫切變速度,簡稱切變率（s-1）， 切變率分類：高切變率（范圍100～200 s-1），

9、 中切變率（50～60 s-1） 低切變率（1～20 s-1）。,在液層流中，相對移動的各層之間產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力的方向一般是沿液層面的切線，流動時，血液的變形正是這種力所引起的，就是切應(yīng)力。,全血粘度測定的正常參考值男 全血低切粘度 7.51 ? 10.09 mpa.s 女 全血低切粘度 5.84 - 8.05 mpa.s男 全血高切粘度 5.63 ? 6.67

10、 mpa.s 女 全血高切粘度 4.74 - 5.86 mpa.s,血粘度高：引起血流阻力增加，血流速度減慢，導(dǎo)致血流停滯，影響臟器血液供應(yīng),正常紅細(xì)胞：呈粉紅色圓盤狀，兩面內(nèi)凹，薄而色淺，細(xì)胞表面邊緣光滑，細(xì)胞大小均一，互不粘連。,血液粘度較高，紅細(xì)胞已基本失去活力，紅細(xì)胞有效的表面積大量減少，導(dǎo)致氧氣輸送發(fā)生極大障礙。如果該狀況不能及時糾正，患者就會出現(xiàn)疲乏、衰弱、瞌睡。會形成大的血凝塊，造成血管內(nèi)堵塞,血小板形成

11、的聚集團塊可以阻塞血管，增加血粘度，使血流緩慢，導(dǎo)致血栓形成,⑵ 影響稀濃度膠體溶液粘度的因素,① 分散相濃度，愛因斯坦公式：η=η0(1+2.5Φ) ，Φ為分散相的體積分?jǐn)?shù)，η0為介質(zhì)粘度② 溫度；③ 質(zhì)點形狀：質(zhì)點形狀對稱，符合愛因斯坦公式 質(zhì)點形狀不對稱，則偏離公式，粘度增加。④ 質(zhì)點大?。嘿|(zhì)點形狀對稱，粘度與大小無關(guān)， 若不對稱，則大質(zhì)點粘度大。⑤ 電荷的

12、影響：粒子帶電，粘度增加。,形形色色的非牛頓流體,血液、淋巴液、囊液等，以及像細(xì)胞質(zhì)那樣的“半流體”， 聚乙烯、聚丙烯酰胺、聚氯乙烯、尼龍6、賽璐珞、滌綸、橡膠溶液、工程塑料、化纖的熔體、溶液； 石油、泥漿、水煤漿、紙漿、油漆、油墨、牙膏、鉆井用的洗井液和完井液、磁漿、泡沫、液晶、高含沙水流、泥石流、地幔等； 西紅柿汁、淀粉液、蛋清、蘋果漿、菜湯、濃糖水、醬油、果醬、煉乳、瓊脂、土豆?jié){、熔化巧克力、面團、米粉團、以及魚糜

13、、肉糜等各種糜狀食品物料。,有時為了工業(yè)生產(chǎn)的目的，在某種牛頓流體中，加入一些聚合物，在改進其性能的同時，也將其變成為非牛頓流體，如為提高石油產(chǎn)量使用的壓裂液、新型潤滑劑等。,也有人將血液、果漿、蛋清、奶油等這些非常黏稠的液體，牙膏、石油、泥漿、油漆、各種聚合物（聚乙烯、尼龍、滌綸、橡膠等）溶液等非牛頓流體，稱為軟物質(zhì),非牛頓流體的奇妙特性及應(yīng)用,射流脹大 這種射流脹大現(xiàn)象，也叫Barus效應(yīng)，或Merrington效應(yīng),奶酪生產(chǎn)情景

14、：奶酪從管中流出后馬上脹大,爬桿效應(yīng),1944年Weissenberg在英國倫敦帝國學(xué)院，公開表演了一個有趣的實驗：在一只盛有黏彈性流體（非牛頓流體的一種）的燒杯里，旋轉(zhuǎn)實驗桿。,對牛頓流體，由于離心力的作用，液面將呈凹形；,對黏彈性流體，向杯中心流動，并沿桿向上爬，液面變凸形，甚至在桿旋轉(zhuǎn)速度很低時，也可觀察到這一現(xiàn)象,設(shè)計混合器時，必須考慮爬桿效應(yīng)的影響。同樣，設(shè)計非牛頓流體的輸運泵時，也應(yīng)考慮和利用這一效應(yīng),無管虹吸,將

15、管子慢慢地從容器撥起時，可看到雖然管子己不再插在液體里。液體仍源源不斷地從杯中抽出，繼續(xù)流進管里。甚至更簡單些，連虹吸管都不要，將裝滿該液體的燒杯微傾，使液體流下，該過程一旦開始，就不會中止，直到杯中液體都流光,對于牛頓流體來說，在虹吸實驗時，如果將虹吸管提離液面，虹吸馬上就會停止。但對高分子液體，如聚醣在水中的輕微凝肢體系等，很容易表演無管虹吸實驗。這種無管虹吸的特性，是合成纖維具備可紡性的基礎(chǔ)。,湍流減阻,減阻效應(yīng)

16、也稱為Toms效應(yīng)，雖然道理尚未弄得很清楚，卻己有不錯的應(yīng)用在消防水中添加少量聚乙烯氧化物，可使消防車龍頭噴出的水的揚程提高一倍以上,⑶ 高濃度分散體系的流變性質(zhì),流變曲線,第五類------觸變流體型；,以切變速度對切應(yīng)力作圖可以將濃度較高的分散體系按流變曲線分為四類：,牛頓型；塑性體；假塑體；漲流體；,① 牛頓體 D-τ關(guān)系為直線，且通過原點在任意小的外力的作用下，液體就能發(fā)生流動。牛頓流體是指在任意小的外力作

17、用下即能流動的流體 牛頓流體單用粘度就足以表征其流變性。從D-τ直線關(guān)系可見：直線的斜率越小，液體的粘度越大。,τ=ηD,大多純液體，如水、甘油及許多低分子化合物溶液、稀溶膠都是牛頓流體,② 塑性體,也叫Bingham流體,其流變曲線也是直線，但不通過原點，而是與切力軸交于τy處，,表明只有當(dāng)τ＞ τy時，液體才能流動，τy 稱為屈服值。,用力很輕時：則牙膏并不流出，只是膏面由平變凸，一松手又變平；用力稍大時：牙膏從管中

18、流出，再也不能縮回去；,擠牙膏時是什么狀況？,像牙膏這類流體的特點是：,具有可塑性----這樣的流體稱為塑性體,使塑性體開始流動所需要施加的臨界切應(yīng)力，稱為屈服值,外加切力較小時，不會流動，只發(fā)生彈性變形；一旦切力超過某一數(shù)值，體系的變形就是永久的；,其它塑性體例子：鉆井泥漿、油墨,施加額外的力方能破壞結(jié)構(gòu)。,靜止的時候形成三維空間結(jié)構(gòu)，,,在爆炸條件下，要把通常的固體當(dāng)作流體彈塑性體,兼有流體性質(zhì)和彈塑性或粘彈塑性固體性質(zhì)的連續(xù)

19、介質(zhì)在高壓、瞬時、大變形過程中, 介質(zhì)的流動應(yīng)力在某些部位遠(yuǎn)小于慣性力(和壓力)，因而其行為接近于流體。,聚能效應(yīng)示意圖,聚能裝藥在爆炸后，爆轟波從起爆處迅速向前傳播，到達V形部分,,爆轟波波陣面和其后形成的爆轟產(chǎn)物壓力波的一個側(cè)向分量將V字形金屬藥罩向內(nèi)高速壓垮,由于受到的是高速沖擊，此時金屬藥罩有部分處于一種流動的固體狀態(tài)，該狀態(tài)稱之為流體彈塑性體，這就是間隔裝甲防破甲所依賴的原理,我軍最新式99主戰(zhàn)坦克穿甲彈,125毫

20、米高膛壓滑膛坦克炮,裝備三種彈：尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈破甲彈榴彈。,鎢合金尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈時，可在2000米距離上擊穿850毫米的均質(zhì)裝甲，,特種合金尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈時，同距離穿甲能力達960毫米以上，,裝甲在遭到射流撞擊后，會在受到撞擊的地方變成會流動、但是還是固體的金屬，因此金屬的防護力就相當(dāng)于降低了。,破甲的過程：,高速的金屬射流形成后，,其碰撞裝甲時壓強極高，可達數(shù)萬兆帕斯卡，速度也極高，在6000米每秒以上，,最新的破

21、甲彈的射流速度已經(jīng)突破10公里每秒的大關(guān),如此高壓強高速度沖擊作用下，金屬變成流動的固體，破甲射流依靠這個作用形成,鎢合金穿甲彈,流體彈塑性體模型和理論的提出者----鄭哲敏院士,著名力學(xué)家、爆炸力學(xué)專家。長期從事固體力學(xué)研究，開拓了我國的爆炸力學(xué)事 業(yè)。,提出了流體彈塑性體模型和理論，在爆炸加工、巖土爆破、核爆炸效應(yīng)、穿甲破甲、材料動 態(tài)破壞、瓦斯突出等方面取得重要成果,1924年10月2日 生於山東省濟南市1943～1947年

22、 西南聯(lián)合大學(xué)電機工程系及機械工程系1948～1952年 美國加利福尼亞理工學(xué)院機械工程系1955年回國,③ 假塑體 pseudoplastic fluid,表觀粘度隨切力增加而下降，整體結(jié)構(gòu)很弱，越攪越快，顯得越稀。,流變曲線通過原點，為凸向切力軸曲線，無屈服值，,大多高分子溶液、乳狀液屬于假塑體。,選煤廠煤泥的流變性,選煤廠煤泥漿在濃度為61-68％時主要表現(xiàn)為賓漢體----塑性體;在濃度為68-73％時主要表現(xiàn)為假塑性體

23、;當(dāng)濃度大于73％時又表現(xiàn)為賓漢體.,④ 漲流體 dilatant fluid 流變曲線通過原點，為凹向切力軸曲線，,,例如：淀粉,漲流體的形成通常需要滿足兩個條件：A、分散濃度需要相當(dāng)大，且在一個比較狹窄的范圍內(nèi)；B、顆粒應(yīng)當(dāng)是分散的，而不是聚集的，由此粘度?。?切力較大時，許多顆粒攪在一起，流動阻力增大，顯得越稠。,漲流體的表觀粘度隨切速增加而變大,攪動越快，顯得越稠。,⑤ 觸變型流體屬于塑性體的一種，其特點是:觸變

24、性。如：濃度相當(dāng)大的Fe2O3·H2O或者V2O5水溶膠于試管中靜止一段時間，即呈半固體狀態(tài)將試管倒置，樣品并不流出。若將試管激烈搖動，又可以恢復(fù)到原來的流體狀態(tài)此種現(xiàn)象可以任意重復(fù)。人們把這種搖動變成流體、靜止后又變成半固體的性質(zhì)叫做觸變性。,觸變性產(chǎn)生的原因比較流行的看法是：針狀、片狀質(zhì)點較球形質(zhì)點更易于表現(xiàn)出觸變性因為它們的邊角、末端間相互吸引更易于搭成架子。流動時，架子被拆散；被拆散的架子靠布朗運動在

25、重建結(jié)構(gòu)。,此圖表明，隨著剪切速度r的升高，剪切應(yīng)力r也逐漸升高。到達某一選定的最高值(C點)后，逐漸降低剪切速度，剪切應(yīng)力也相應(yīng)下降，可得到一直線(CA)。其上行線和下行線不重合，形成一月牙形的圈，此圈稱為“滯后圈”。這是具有觸變性體系的流變特性。一般粘土泥漿、水泥漿、釉料漿等具有此種流變特性。,墨水、筆與中性墨水,墨水是人們在一切社會活動中所必須的書寫材料之一 2004年我國向國內(nèi)銷售值約達113億元，出口值約68．6億元，國內(nèi)4

26、4．4億元包括制筆產(chǎn)品、墨水、筆零件，100多個國家和地區(qū) .,自來水筆的產(chǎn)量居世界第一位(1．65億支左右)，圓珠筆的產(chǎn)量是150億支，居世界第一位，活動鉛筆的年產(chǎn)量為5億支，居世界第三位。我國各種筆類產(chǎn)品的產(chǎn)量和出口量均已占世界第一，,二、中性筆國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r：,中性筆起源于日本，SAKURA株式會社1984年推出“BALLSIGN‘’的產(chǎn)品；1988年日本PENTEL株式會社研制成功被稱為“HYBRID‘’的產(chǎn)品，中性

27、筆由此宣告誕生。,隨后，昌隆、愛好、樂美、成路、白金、百能、晨光等頗具實力的制筆企業(yè)相繼開始生產(chǎn)中性筆，其筆尖、墨水也依賴進口。目前，我國中性筆的產(chǎn)量已達10億支之多了，其中出口量也超過7億支，中性筆和水性筆的產(chǎn)量也已占到圓珠筆產(chǎn)量的35％以上，據(jù)市場發(fā)展趨勢，看來近年來中性筆的產(chǎn)量還將持續(xù)攀升。,90年代中期，溫州一企業(yè)開始批量生產(chǎn)中性筆，當(dāng)時由于工藝不十分成熟等原因而導(dǎo)致的質(zhì)量不穩(wěn)定，因此未能在國內(nèi)形成市場。此后寧波貝發(fā)公司采用

28、進口筆尖、進口的墨水和浮塞脂，開始成功地批量生產(chǎn)中性筆，其產(chǎn)品主要銷往國外。,雖然我國是制筆大國，但還不是制筆強國，生產(chǎn)的技術(shù)、材料沒有得到充分解決，墨水與筆頭國產(chǎn)筆大都屬于普及型產(chǎn)品，價位較低，高檔產(chǎn)品市場為國外公司所占據(jù)。,目前我國的中性筆的生產(chǎn)主要存在三個問題：(一)筆頭質(zhì)量（主要依賴進口）。(二)中性墨水質(zhì)量（主要依賴進口）。(三)裝配機，我國僅生產(chǎn)單機，加工精度和效率低。,個別中性筆企業(yè)，以劣質(zhì)或降低質(zhì)量的產(chǎn)品和

29、很難想像的低價，參與國內(nèi)外的競銷,品種少， 不能滿足制筆行業(yè)的需求，無法取代進口中性墨水質(zhì)量不高，中性墨水雖有多家企業(yè)在研制，中性筆的墨水問題十分突出。按目前我國中性墨水的需求量，一年進口中性墨水800多噸，每噸中性墨水進口價為1．2萬美元，需花去1000多萬美元。,中性墨水問題,中性墨水筆的中性墨水的研制開發(fā)難度較大，目前有日本、美國、德國、韓國等國生產(chǎn)中性墨水，以日本的為最佳。,中性墨水的研制開發(fā)關(guān)鍵是：墨水的配方；

30、 與配方匹配的加工工藝； 墨水與筆頭的匹配。,為了加強我國中性筆的質(zhì)量管理，保證產(chǎn)品的質(zhì)量， 2001年10月組成了由 寧波貝發(fā)集團有限公司、 溫州愛好筆業(yè)有限公司、青島昌隆文具有限公司、 寧波成路文體日用晶制造有限公司、 上海豐華圓珠筆股份有限公司、上海樂美有限公司、上海中韓晨光文具制造有限公司等七家企業(yè)，成

31、立了中性筆標(biāo)準(zhǔn)起草小組，我國中性筆標(biāo)準(zhǔn)已于2002年4月底，通過審定,寧波貝發(fā)公司已向瑞士引進了中性筆尖的加工機床，開始自制中性筆尖，并且使用情況良好；寧波鑫盛達公司，也正在積極研制中性筆尖的加工機床；中性墨水，目前國內(nèi)也有多家企業(yè)正在積極研制開發(fā)，估計在不久的未來，也一定能解決問題。,樂美文具有限公司創(chuàng)立于1991年，目前在上海、昆山和廣東擁有三個大型的專業(yè)文具生產(chǎn)基地，廠房面積近15萬平方米，職員5000多人。主要經(jīng)營 “真彩

32、”、圓珠筆、記號筆，2006年整個集團產(chǎn)品銷售額突破10億元。 讓消費者“買得放心，用得順心”，是樂美的宗旨。為實現(xiàn)這一宗旨，樂美在引進世界上最先進的全自動生產(chǎn)設(shè)備和精密模具生產(chǎn)線的同時，精選日本、瑞士、美國、德國等國家生產(chǎn)的國際上最好的原料，嚴(yán)格按照ISO9001質(zhì)量體系標(biāo)準(zhǔn)運作，每一道工序都經(jīng)嚴(yán)格監(jiān)督，確保每件產(chǎn)品都讓消費者滿意。,(1) 要使墨水有適當(dāng)?shù)恼扯取⒂|變性、表面張力、pH值， 既確保筆流暢不泄漏， 墨水的間

33、歇性能要長，以達到更長的脫帽時間；,(2) 確保墨水的耐光、耐水、耐熱、耐寒、保濕性、滲透性，,(3) 解決墨水的穩(wěn)定性， 較長時間的保存而墨水不變質(zhì)，不出現(xiàn)分層、沉淀，,(4) 還要確保墨水的安全性，無毒，無腐蝕性,(5) 墨水要達到一定的顆粒細(xì)度，以低于球珠與球座的間隙量 并有較強的分散能力，以防堵塞筆頭影n向書寫。,(6)墨水的通用性強，能適應(yīng)各種筆頭，達到較好的書寫性能，,(7)有足夠的書寫長度，即一管墨水在劃線機

34、上能劃出更長的線,A 、中性墨水的粒度 中性墨水所用的色基顏料粒度必須極細(xì)，接近于納米級 ，(如優(yōu)質(zhì)乙炔碳黑)，色基染料、輔料必須完全互溶，避免形成氣泡、粒子凝聚體確保顆粒細(xì)度，不致堵塞而造成不出水。B、 墨水中金屬離子對墨水穩(wěn)定性的影響 根據(jù)膠體穩(wěn)定理論，游離的金屬離子可以破壞墨水的穩(wěn)定性，使墨水分層、沉淀、變色；其中墨水中的染料、顏料是帶入金屬離子的主要來源。,C、粘度及調(diào)配 中性墨水既有一定的稠度和粘度，以