膠體的流變性解析PPT課件

1、流變性質(zhì)（rheologic properties）： 物質(zhì)在外力作用下的變形（deformation）和流動(flow)的性質(zhì)。研究膠體流變性質(zhì)的作用： （1）估計膠體質(zhì)點的大小、形狀以及質(zhì)點與介質(zhì)間的相互作用。 （2）解決生產(chǎn)中的重要問題（油漆、牙膏、陶土成形、照相乳劑的涂布、鉆井用泥漿等）。膠體的流變性膠體的流變性第1頁/共48頁膠體的流變性膠體的流變性第2頁/共48頁膠體的流變性膠體的流變性第3頁/共48頁 基本概念和術(shù)語 1 稀膠體溶液的黏度 2 濃分散體系的流變性質(zhì) 3 膠粒的平均大小與多分散度 4目目 錄錄第4頁/共48頁1. 切變速度與切應(yīng)力 將流動著的液體看作許多相互平行移動

2、的液層，各層速度不同，形成速度梯度(dv/dx)，這是流動的基本特征。一、基本概念和術(shù)語一、基本概念和術(shù)語xv第5頁/共48頁一、基本概念和術(shù)語一、基本概念和術(shù)語第6頁/共48頁 由于速度梯度的存在，流動較慢的液層阻滯較快液層的流動，因此，液體產(chǎn)生運動阻力。 為使液層維持一定的速度梯度運動，必須對液層施加一個與阻力相反的反向力。 在單位液層面積上施加的這種力，稱為切應(yīng)力 (shear force)，簡稱切力。用表示，單位為N/m2 。 切變速度：即速度梯度，簡稱切速，用D表示，單位s-1。 切應(yīng)力與切變速率是表征體系流變性質(zhì)的兩個基本參數(shù)。dxdvD 一、基本概念和術(shù)語一、基本概念和術(shù)語第7頁

3、/共48頁2. 牛頓公式和黏度n 流動時液體內(nèi)部形成速度梯度，故產(chǎn)生運動阻力，切應(yīng)力反映此阻力大小。Ddxdv牛頓公式 液體粘度n 黏度定義：將兩塊面積為1m2的板浸于液體中，兩板距離為1m，若加1N的切應(yīng)力，使兩板之間的相對速率為1m/s，則此液體的黏度為1Pas。一、基本概念和術(shù)語一、基本概念和術(shù)語第8頁/共48頁n 牛頓流體（Newtonian fluid）：符合牛頓公式的流體。n 非牛頓液體（non- Newtonian fluid ）：不符合牛頓公式的流體。n 非牛頓流體的切應(yīng)力與切速間無正比關(guān)系，比值/D不再是常數(shù)，而是切速的函數(shù)。n 表觀粘度（apparent viscosity

4、）：以a表示一定(/D)下的黏度，稱表觀粘度。一、基本概念和術(shù)語一、基本概念和術(shù)語第9頁/共48頁一、基本概念和術(shù)語一、基本概念和術(shù)語第10頁/共48頁一、基本概念和術(shù)語一、基本概念和術(shù)語第11頁/共48頁3. 黏度測定的方法測定黏度的方法主要有毛細管法、轉(zhuǎn)筒法及落球法。（1）毛細管粘度計 用于測定液體、溶液和膠體溶液的黏度，主要使用于牛頓流體。毛細管粘度計的基本公式是Poiseuille公式tlvpr84式中，r、l 分別為毛細管的半徑和長度； v 為在 t 時間內(nèi)液體所流過的毛細管體積； p 為毛細管兩端的壓力差。粘 度測定公式一、基本概念和術(shù)語一、基本概念和術(shù)語第12頁/共48頁 一般用

5、已知黏度的液體測出粘度計的毛細管常數(shù)，再令待測液體在相同的條件下流過同一只毛細管。因為同一毛細管的r、l、v一定，故液體在毛細管中流動僅受壓力差p的影響，在此處壓力差即為重力，即p=hg，故可根據(jù)下式求出待測液體的黏度：000tt 0、0、t0分別為標(biāo)準(zhǔn)液體（如純水、純苯等黏度已知）的黏度、密度、和使一定體積標(biāo)準(zhǔn)液體流過毛細管所經(jīng)過的時間；、t 為待測液體的黏度、密度、和使同一體積待測液體流過毛細管所經(jīng)過的時間。一、基本概念和術(shù)語一、基本概念和術(shù)語第13頁/共48頁若溶液很稀，則0，這時00tt 只要測出已知黏度的標(biāo)準(zhǔn)液體和待測液體的流經(jīng)時間，根據(jù)上式就可以測出待測液體的黏度。常作標(biāo)準(zhǔn)液體（2

6、0）水：1.00910-3Pas苯：6.4710-4Pas一、基本概念和術(shù)語一、基本概念和術(shù)語第14頁/共48頁（2）轉(zhuǎn)筒式黏度計 適用于非牛頓流體的黏度測定，實際工作中用于測定流體流型。 Stormer粘度計工作機理 轉(zhuǎn)筒式黏度計有兩個同心筒組成，兩筒間保持一定的間隙（例如13mm左右），此間隙為待測樣品所充滿。兩筒中一筒轉(zhuǎn)動，另一筒固定，這樣在樣品液體內(nèi)部存在速度梯度，并產(chǎn)生流動阻力。作用在單位面積上的阻力極為切應(yīng)力的大小。如外筒不動，靠加重量（砝碼）使內(nèi)筒轉(zhuǎn)動，就可有由砝碼質(zhì)量、力臂長度、筒側(cè)面積求出切應(yīng)力值。一、基本概念和術(shù)語一、基本概念和術(shù)語第15頁/共48頁一、基本概念和術(shù)語一、基

7、本概念和術(shù)語第16頁/共48頁轉(zhuǎn)筒式黏度計的構(gòu)造示意圖一、基本概念和術(shù)語一、基本概念和術(shù)語第17頁/共48頁 轉(zhuǎn)筒式粘度計的類型較多，常用的是Stormer粘度計。無論哪種類型，體系黏度、筒的轉(zhuǎn)速和所加重量W（有些儀器是根據(jù)彈簧絲的偏轉(zhuǎn)角）之間的關(guān)系為：WK或或式中，K為儀器常數(shù)，與轉(zhuǎn)筒的半徑、高度以及兩筒間間隙等有關(guān)。 用已知黏度的牛頓流體（通常用甘油）進行測量，以W 對轉(zhuǎn)速（r/min）作圖，便可從直線的斜率求出儀器常數(shù)K。對同一臺儀器測量不同轉(zhuǎn)速下所需外加的重量，便可畫出流變曲線，并可據(jù)此確定體系的流型。一、基本概念和術(shù)語一、基本概念和術(shù)語第18頁/共48頁（3）落球黏度計原理：Stok

8、es公式一、基本概念和術(shù)語一、基本概念和術(shù)語第19頁/共48頁4. 層流與湍流 層流（ laminar flow）的特點：體系的流動處于穩(wěn)恒狀態(tài)，體系中任何一點的流速（包括大小、方向）不隨時間而改變。 只有在層流條件下，牛頓公式才成立。 湍流（turbulent flow）：當(dāng)流速超過某一限度時，有不規(guī)則的或隨時間而改變的旋渦生成，此時為湍流。 牛頓公式不適合湍流條件下的使用。一、基本概念和術(shù)語一、基本概念和術(shù)語第20頁/共48頁流型的判斷依據(jù)：雷諾系數(shù)（Reynolds number）用來描述液體的流體狀況。它是一個無因次數(shù)：vdR eRe超過14002000臨界值時，層流變?yōu)橥牧?。圓管中的

9、流動：式中，v 為流速；d 為管直徑；為液體的密度。一、基本概念和術(shù)語一、基本概念和術(shù)語第21頁/共48頁 基本概念和術(shù)語 1 稀膠體溶液的黏度 2 濃分散體系的流變性質(zhì) 3 膠粒的平均大小與多分散度 4目目 錄錄第22頁/共48頁 定義相對黏度 r = 溶膠 / 溶劑 相對黏度的大小與質(zhì)點的大小、形狀、濃度、質(zhì)點與介質(zhì)的相互作用以及它在流場中的定向程度等因素有關(guān)。 液體流動時，為克服內(nèi)摩擦需要消耗一定的能量。倘若液體中有質(zhì)點存在，則液體的流線在質(zhì)點附近受到干擾，這就要消耗額外的能量，因此，溶膠或者懸浮液的黏度均高于純?nèi)軇┑酿ざ取６?、稀膠體溶液的黏度二、稀膠體溶液的黏度第23頁/共48頁1.

10、分散相濃度的影響對于稀的溶膠或懸浮液，Einstein假定：質(zhì)點是遠大于溶劑分子的圓球；質(zhì)點是缸體，且與介質(zhì)無相互作用；溶膠很稀，液體經(jīng)過質(zhì)點時，各層流所受到的干擾不相互影響；無湍流。從而導(dǎo)出）（5 . 210式中， 為溶膠的黏度； 0為介質(zhì)的黏度； 為分散相所占的體積分?jǐn)?shù)。二、稀膠體溶液的黏度二、稀膠體溶液的黏度第24頁/共48頁 實驗證明，當(dāng)濃度不大于3%（體積分?jǐn)?shù)）的球形質(zhì)點， r與間確有線性關(guān)系，但是Einstein導(dǎo)出的式中常數(shù)往往大于2.5 。這可能是由于質(zhì)點溶劑化，從而使實際的體積分?jǐn)?shù)變大的緣故。 濃度較大時，質(zhì)點間相互干擾，體系的黏度將急劇增加， Einstein公式就不再適用

11、。二、稀膠體溶液的黏度二、稀膠體溶液的黏度第25頁/共48頁2. 溫度的影響 溫度升高，液體分子間的相互作用減弱，因此液體的黏度隨溫度的升高而降低。 溶膠的黏度也隨溫度的升高而降低，由于溶劑的黏度也相應(yīng)降低，故r 隨溫度的變化往往不大。 較濃的膠體體系，由于在低溫時質(zhì)點間常形成結(jié)果，甚至膠凝，而在高溫時結(jié)果又常被破壞，故黏度隨溫度變化的幅度要大得多。二、稀膠體溶液的黏度二、稀膠體溶液的黏度注意第26頁/共48頁3. 質(zhì)點形狀的影響剛性棒狀質(zhì)點在速度梯度的定向作用可以忽略的條件式J)165 . 2(12r 式中，J 為分子的長短軸之比，與Einstein公式比較可以看出，質(zhì)點越不對稱，溶液的黏度

12、越高。見教材第112頁圖2-67。 對于其他形狀的質(zhì)點，溶膠黏度都隨質(zhì)點的軸比(axial ratio)的增加而變大。二、稀膠體溶液的黏度二、稀膠體溶液的黏度第27頁/共48頁 質(zhì)點形狀不對稱的必然結(jié)果是偏離牛頓公式，此時切應(yīng)力與切變速度的比值不再是常數(shù)，而是隨切速的增加而下降，這主要是由于不對稱質(zhì)點在速度梯度場中的定向造成的。 在棒狀質(zhì)點兩端處液體的流速不同，故質(zhì)點受到一個轉(zhuǎn)矩作用，促使其軸與流線平行定向，但布朗運動能使質(zhì)點作無規(guī)取向，這兩個相反的結(jié)果使質(zhì)點與流線成一定的取向。速度梯度越大，定向作用越強。定向的結(jié)果，往往可使質(zhì)點與流動方向趨于一致，這當(dāng)然會減小對液體流動的干擾，因此，表觀黏度

13、隨速度梯度增加而下降。質(zhì)點在流場中的定向二、稀膠體溶液的黏度二、稀膠體溶液的黏度第28頁/共48頁4. 黏度與質(zhì)點大小的關(guān)系 由Einstein公式可見，球形質(zhì)點稀溶液的黏度僅與質(zhì)點的體積分?jǐn)?shù)有關(guān)，與質(zhì)點大小無關(guān)，因此不能由黏度的測定來確定質(zhì)點的大小。 若質(zhì)點形狀很不對稱時，則黏度與質(zhì)點大小很有關(guān)系，因為質(zhì)點變大的結(jié)果常使其不對性增大（如線性高分子就是這樣），故溶液的黏度也隨之增大，因而有可能將黏度和質(zhì)點大小定量地聯(lián)系起來。 例如用黏度法測定線性高分子溶液中高分子的分子量，已是實驗室中最經(jīng)常采用的一種方法。二、稀膠體溶液的黏度二、稀膠體溶液的黏度第29頁/共48頁 若粒子帶電，則溶液的黏度增加

14、，這種額外的黏度通常稱為電黏滯效應(yīng)（electroviscous effect）。 5. 電荷對黏度的影響 溶液黏度和粒子半徑r以及電位之間的關(guān)系式 )2(11 5 . 222000kr式中，k 為電導(dǎo)率；為介電常數(shù)；為Zeta電位。 當(dāng)粒子帶電時，粒子大小直接影響溶液的黏度。當(dāng)電位為零時，則上式又轉(zhuǎn)變?yōu)镋instein公式。這也說明電粘滯效應(yīng)與電位共存。 二、稀膠體溶液的黏度二、稀膠體溶液的黏度第30頁/共48頁 基本概念和術(shù)語 1 稀膠體溶液的黏度 2 濃分散體系的流變性質(zhì) 3 膠粒的平均大小與多分散度 4目目 錄錄第31頁/共48頁 以切變速度D對切應(yīng)力 作圖，可以得到流變曲線，它表示了

15、體系的流變特性。按流變曲線的類型可將流體分為不同的流型。三、濃分散體系的流變性質(zhì)三、濃分散體系的流變性質(zhì)第32頁/共48頁1. 牛頓體 D-關(guān)系為直線，且通過原點。即在任意小的外力作用下，液體就能發(fā)生流動。 從D-直線關(guān)系可見，直線的斜率越小，液體的黏度越大。 大多數(shù)純液體（如水、甘油、低黏度油以及許多低分子化合物溶液和稀的溶膠）都是牛頓液體。 牛頓型液體常稱為真液體。D 三、濃分散體系的流變性質(zhì)三、濃分散體系的流變性質(zhì)第33頁/共48頁2. 塑性體 （plastic fluid） 也叫Bingham體。其流變曲線也是直線，但不經(jīng)過原點，而是與切力軸交在y 處，亦即只有當(dāng)y 時，體系才流動，y

16、 稱為屈服值（yield value）。 外加切應(yīng)力較小，不流動，只發(fā)生彈性變形；而一旦切應(yīng)力超過某一限度時，體系的變形就是永久的，表現(xiàn)出可塑性，故稱其為塑性體。 使塑性體開始流動所需加的臨界切應(yīng)力，即為屈服值。 D LfBfMf三、濃分散體系的流變性質(zhì)三、濃分散體系的流變性質(zhì)第34頁/共48頁塑性體流變曲線的直線部分可表示為： -y =塑D （y ） 式中，塑稱為塑性黏度（或結(jié)構(gòu)黏度），它和屈服值y 是塑性體的兩個重要流變參數(shù)。解 釋 靜止時，不規(guī)則粒子形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，須破壞其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)方可流動。達到層流切力后結(jié)構(gòu)被徹底破壞。三、濃分散體系的流變性質(zhì)三、濃分散體系的流變性質(zhì)第35頁/共48頁 鉆

17、井泥漿：黏土質(zhì)點成片狀，基面帶負電，側(cè)面帶少量正電。黏土粒子在水中易形成結(jié)構(gòu)。開鉆時高速循環(huán)泥漿，結(jié)構(gòu)被拆散，流動阻力小。停鉆后結(jié)構(gòu)重新形成，屈服值保證了巖屑的懸浮，也可防止泥漿滲入地層。實 例三、濃分散體系的流變性質(zhì)三、濃分散體系的流變性質(zhì)第36頁/共48頁3. 假塑體 （pseudoplastic fluid）D o特點 無屈服值，其流變曲線通過原點，表觀黏度0隨切力增加而下降，亦即攪得越快，顯得越稀。其流變曲線為一凹向切力軸的曲線。nKD 10 n大部分高分子溶液和乳狀液屬此流型。K 是粘稠度的量度，K 越大，液體越粘稠；n1）表觀粘度：)1(annkDDkDD三、濃分散體系的流變性質(zhì)三

18、、濃分散體系的流變性質(zhì)D o第39頁/共48頁（1）顆粒必須是分散的而不是聚結(jié)的；（2）分散相濃度相當(dāng)大，且在一狹小范圍內(nèi)。 濃度低時為牛頓體，高時為塑性體。條件解 釋 切力不大時，顆粒散開，黏度小； 切力大時，顆粒被攪在一起，增加流動阻力。應(yīng)用實例 鉆井時如果遇到脹流性很強的地層會發(fā)生嚴(yán)重的卡鉆事故。三、濃分散體系的流變性質(zhì)三、濃分散體系的流變性質(zhì)第40頁/共48頁5. 觸變流型 觸變性（thixotrophy）搖動變成流體、靜置又變成半固體的性質(zhì)。 觸變性是體系粘度與切應(yīng)力作用時間的長短有關(guān)的現(xiàn)象。解 釋 靜止時不規(guī)則粒子形成結(jié)構(gòu)，攪拌時被打散，結(jié)構(gòu)的拆散和形成與時間有關(guān)。應(yīng)用實例利用泥漿的觸變性將巖屑自井中運到井外。成因復(fù)雜、應(yīng)用廣泛。三、濃分散體系的流變性質(zhì)三、濃分散體系的流變性質(zhì)第41頁/共48頁 基本概念和術(shù)語 1 稀膠體溶液的黏