基本介紹
- 中文名：觸變性流體
- 外文名：Thixotropic fluid
- 特徵：粘度隨剪下降低
- 原理：凝膠和溶膠之間的相互轉換過程
- 表征：Huang方程等
- 類別：時間依賴性流體
定義,典型特徵,觸變性與剪下變稀的區別,典型滯後環,觸變性與黏彈性的關係,觸變性的表征,
定義
某些流體的黏度不僅與切變速度大小有關，而且與系統遭受切變的時間長短有關，它們是時間依賴性流體。此種流體又可分為兩類：①觸變性(thixotropy)系統，②震凝性(rheopexy)系統。這兩種系統都是非Newton流體，但切變與時間有關。前者維持流體以恆定切變速度流動的切力隨時間而減小，後者在一定切變速度下，切力隨時間而增加。
絕大多數時間依賴性流體是觸變性流體(thixotropic fluid)。觸變性流體內的質點間形成結構，流動時結構破壞，停止流動時結構恢復，但結構破壞與恢復都不是立即完成的，需要一定的時間，因此系統的流動性質有明顯的時間依賴性。觸變性可以看成是系統在恆溫下“凝膠一溶膠”之間的相互轉換過程的表現。更確切地說，物體在切力作用下產生變形，若黏度暫時性降低，則該物體即具有觸變性。
產生觸變性的原因並不十分清楚。如前所述，一種看法是認為針狀和片狀質點比球形質點易於表現出觸變性，它們由於邊或末端之間的相互吸引而形成結構，流動時結構被拆散，切力使質點定向流動。當切力停止時，被拆散的質點要靠Brown運動使顆粒末端或邊相互碰撞才能重新建立結構，這個過程需要時間，因而表現出觸變性。觸變性是一個較為複雜的問題，許多現象尚不清楚，例如，石英粉的水懸浮液本來沒有觸變性，但加入一些極細的Al2O3粉末後即出現觸變性，其原因就不明。
在實際生產中有許多觸變性問題，例如油漆和油墨的質量常決定於是否有良好的觸變性。在刷油漆時，人們希望油漆的流動性要好，刷時省力，易於塗勻，且可使油漆光滑明亮。但是當刷子一離開，就要求油漆黏度很快升高，油漆不致流下來造成厚薄不勻。又如鑽井泥漿也要求有良好的觸變性，鑽井時希望泥漿黏度低，這樣泥漿沖刷力強，泵效率高，有利於提高鑽井速度。但是一旦停鑽以後，就希望泥漿黏度迅速升高，不然泥漿所攜帶的礦屑等雜質就要沉到井底而形成卡鑽事故。
還有一種負觸變現象，它與通常的觸變性相反，即在外切力作用下，系統的黏度迅速上升，靜止後又恢復原狀，它是具有時間因素的切稠現象。從滯後圈來看，它是順時針的，而觸變系統是逆時針的。最初發現負觸變性是在高分子溶液中，最典型的是5%聚異丁烯的苯溶液。
震凝性系統是溶膠在外界有節奏的震動下變成凝膠。這種節奏性震動可以是輕輕敲打、有規則的圓周運動或攪拌等。例如將1．3%的蒙脫土懸浮體放入1 cm直徑的試管內，加一滴飽和NaCI(或KCl)溶液，用橡皮棒有節奏地輕輕敲打試管，在25℃時經過15 S就凝結成凝膠。
震凝性與脹性不同，脹性系統的特點是當外切力取消後，系統的黏度立即降低而“稀化”，而震凝性系統則不同，當外切力去除後，系統仍保持凝固狀態，至少有一段時間呈凝聚狀態，然後再稀化。從微觀結構來看，脹性系統的懸浮體是“高濃度”的，固體含量常高達40%以上，潤濕性能良好。震凝性固體含量低，僅1%～2%左右，而且粒子是不對稱的，因此形成凝膠完全是粒子定向排列的結果。
典型特徵
觸變性揭示的是材料的黏度隨時間的變化關係。觸變性流體具有如下典型特徵：
①從靜止的物料開始剪下或從低到高改變物料的剪下速率時，黏度隨時間降低；
②剪下停止後或從高到低改變物料的剪下速率時，黏度隨時間恢復；
③保持剪下速率不變直到應力達到恆定值，可得到平衡流變曲線；
④反覆循環剪下可得到滯後環；
⑤無限重複循環剪下可得到平衡滯後環。
以上5種觸變性特徵現象從不同的方面反映了觸變體的流變行為。
觸變性與剪下變稀的區別
材料的觸變性和剪下變稀特性是兩個不同的概念，前者是黏度隨剪下時間的變化關係，後者是指穩態剪下黏度隨剪下速率的變化關係。材料的反觸變性和剪下增稠特性也是兩個不同的概念，不能混淆。材料或流體滯後環的差異，與材料的結構差異、受力歷史密切相關。
典型滯後環
材料的滯後環可分為正觸變環、黏彈環、含黏彈～正觸變環的滯後環、含黏彈環、應力過沖和正觸變環的滯後環以及含黏彈環、應力過沖和正反觸變環的滯後環。
觸變性是含結構材料重要而複雜的依時特性。材料受到剪下後，材料內部結構逐漸破壞，當剪下除去後，材料的結構逐漸形成；由於材料結構破壞速率和結構形成速率不同，產生滯後環。當結構形成速率大於結構破壞速率時，材料表現為黏度上升，反之則黏度下降；當二者處於動態平衡狀態時，溶液表現為平衡黏度。
觸變性與黏彈性的關係
值得指出的是，黏彈性流體經過三角波剪下後，可以得到一個類似反觸變環的滯後環(真實的實驗現象)，說明受剪前後黏彈性材料結構變化速率存在差異，與受剪下歷史有關。
將觸變性和黏彈性嚴格地區分開來十分困難，因為二者都是依賴於時間的現象，都與流體結構變化密切相關。同一種材料可同時體現出黏彈性和觸變性，由於所受剪下條件不同，表現出不同的性質。一般在低剪下速率範圍內表現黏彈性，而在中等剪下速率以上表現觸變性。材料表現滯後環所用剪下速率的大小與材料種類有關。至今仍是一個研究熱點和難點。
觸變性的表征
為了描述非牛頓流體的觸變性行為，提出各種不同的觸變模型。其中具有代表性的有Huang方程、5參數黏彈一觸變性流體本構方程等。同時含黏彈環和正觸變環的滯後環的數學表征。
對無彈性的觸變性流體，存在聚集體和單體之間的相互轉化過程。當剪下應力作用於該流體時，聚集體結構逐漸解離為單體；當剪下應力消除時，單體將相互作用形成聚集體。由於聚集體結構破壞速率和恢復速率不一致，才表現出觸變性。
當剪下應力作用於流體上時，產生的剪下速率為多。該應力分別引起黏性流動，彈性變形和聚集體的解離。
