CharacterofColloidParticles

1、4.1 布朗運(yùn)動(dòng)布朗運(yùn)動(dòng)4.2 膠體粒子的沉降性質(zhì)膠體粒子的沉降性質(zhì)4.3 膠體粒子的光散射膠體粒子的光散射4.4 膠體的流變性膠體的流變性粒子大?。褐睆叫∮诹Ｗ哟笮。褐睆叫∮?um；運(yùn)動(dòng)的永恒性：連續(xù)不斷；運(yùn)動(dòng)的永恒性：連續(xù)不斷；運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)：無規(guī)則。運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)：無規(guī)則。l何種原因?qū)е虏祭蔬\(yùn)動(dòng)的發(fā)生；何種原因?qū)е虏祭蔬\(yùn)動(dòng)的發(fā)生；l布朗運(yùn)動(dòng)與那些因素有關(guān)；布朗運(yùn)動(dòng)與那些因素有關(guān)；l布朗運(yùn)動(dòng)有沒有規(guī)律可循。布朗運(yùn)動(dòng)有沒有規(guī)律可循。l許多科學(xué)家研究認(rèn)為：產(chǎn)生布朗運(yùn)動(dòng)是許多科學(xué)家研究認(rèn)為：產(chǎn)生布朗運(yùn)動(dòng)是由于溶劑分子對(duì)膠體粒子的不規(guī)則撞擊由于溶劑分子對(duì)膠體粒子的不規(guī)則撞擊造成的。造成的。vl因膠體粒子體

2、積小，溶劑分子在瞬因膠體粒子體積小，溶劑分子在瞬間撞擊時(shí)的合力不能夠完全抵消且間撞擊時(shí)的合力不能夠完全抵消且該力呈現(xiàn)無規(guī)則性，造成膠體粒子該力呈現(xiàn)無規(guī)則性，造成膠體粒子的運(yùn)動(dòng)具有無規(guī)則性。當(dāng)粒子體積的運(yùn)動(dòng)具有無規(guī)則性。當(dāng)粒子體積增大時(shí)，合力可抵消或大大減弱，增大時(shí)，合力可抵消或大大減弱，布朗運(yùn)動(dòng)減弱或消失。布朗運(yùn)動(dòng)減弱或消失。 愛因斯坦運(yùn)用愛因斯坦運(yùn)用Fick擴(kuò)散定律，推擴(kuò)散定律，推導(dǎo)出膠體粒子在一定時(shí)間、沿某導(dǎo)出膠體粒子在一定時(shí)間、沿某個(gè)方向運(yùn)移的距離公式個(gè)方向運(yùn)移的距離公式愛因愛因斯坦布朗運(yùn)動(dòng)公式。斯坦布朗運(yùn)動(dòng)公式。l擴(kuò)散是物質(zhì)由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散是物質(zhì)由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域自發(fā)

3、遷移的過程。遷移量與遷移面積、自發(fā)遷移的過程。遷移量與遷移面積、濃度梯度、遷移時(shí)間成正比。濃度梯度、遷移時(shí)間成正比。l dxdcDAdtdmlD為擴(kuò)散系數(shù)，表示在單位濃度梯度為擴(kuò)散系數(shù)，表示在單位濃度梯度下單位時(shí)間流經(jīng)單位截面積的量，下單位時(shí)間流經(jīng)單位截面積的量，表征著物質(zhì)的遷移能力。表征著物質(zhì)的遷移能力。l熱運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)是顆粒的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，熱運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)是顆粒的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，它由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域遷移，它由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域遷移，最終達(dá)到平衡。最終達(dá)到平衡。A、膠體粒子為球形粒子；、膠體粒子為球形粒子；B、粒子濃度很低（稀體系），其相互作、粒子濃度很低（稀體系），其相互作用可忽略；用可忽略

4、；C、粒子的體積較分散介質(zhì)分子大得多；、粒子的體積較分散介質(zhì)分子大得多；D、粒子處于均勻分散狀態(tài)。、粒子處于均勻分散狀態(tài)。l在一個(gè)平面在一個(gè)平面AB兩邊，存在著粒子遷移。兩邊，存在著粒子遷移。對(duì)于高濃度部分，若在對(duì)于高濃度部分，若在t時(shí)間內(nèi)沿著橫向時(shí)間內(nèi)沿著橫向通過平面通過平面AB的平均位移為的平均位移為x，則在平面，則在平面AB邊上，有遷移至低濃度區(qū)域的，也有邊上，有遷移至低濃度區(qū)域的，也有遷移至高濃度區(qū)域的，且濃度梯度相同遷移至高濃度區(qū)域的，且濃度梯度相同時(shí)，遷移量相同。同樣低濃度區(qū)域也存時(shí)，遷移量相同。同樣低濃度區(qū)域也存在此現(xiàn)象。由于濃度梯度不同，因此存在此現(xiàn)象。由于濃度梯度不同，因此存

5、在遷移量上的差異。在遷移量上的差異。Dt2X )( dxdcDdxddtdc 61 rNaRTD(適用于球形粒子) )r3tNaRT(x 21 61 rNaRTDfwfdfw g(9r2v 2）介質(zhì)介質(zhì)粒子粒子 gVr6 o）（ 3r4V 3 l懸浮顆粒的沉降，根據(jù)其濃度及特征，懸浮顆粒的沉降，根據(jù)其濃度及特征，有四種形式：有四種形式：l（1）自由沉降）自由沉降l（2）絮凝沉降）絮凝沉降l（3）成層沉降）成層沉降l（4）壓縮沉降）壓縮沉降l也叫離散沉降，是當(dāng)體系中懸浮顆粒濃也叫離散沉降，是當(dāng)體系中懸浮顆粒濃度低、顆粒之間不發(fā)生聚集時(shí)，顆粒在度低、顆粒之間不發(fā)生聚集時(shí)，顆粒在沉降過程中形狀、粒徑

6、和密度都保持不沉降過程中形狀、粒徑和密度都保持不變，互不干擾地獨(dú)自完成勻速沉降過程。變，互不干擾地獨(dú)自完成勻速沉降過程。l這是一種絮凝型固體顆粒在稀懸浮體系這是一種絮凝型固體顆粒在稀懸浮體系中的沉降。雖然顆粒在沉降過程中濃度中的沉降。雖然顆粒在沉降過程中濃度不高，但顆粒在下沉過程中會(huì)相互碰撞不高，但顆粒在下沉過程中會(huì)相互碰撞而聚集成大的絮體，因此在沉降過程中而聚集成大的絮體，因此在沉降過程中顆粒大小及沉降速度隨時(shí)間的變化逐漸顆粒大小及沉降速度隨時(shí)間的變化逐漸增大。增大。l又叫區(qū)域沉降。這是一種固體顆粒濃度又叫區(qū)域沉降。這是一種固體顆粒濃度較高時(shí)顆粒沉降的狀況。由于顆粒濃度較高時(shí)顆粒沉降的狀況。

7、由于顆粒濃度高，顆粒之間的距離較近，顆粒之間的高，顆粒之間的距離較近，顆粒之間的吸附力促使其聚集成一個(gè)整體，但各自吸附力促使其聚集成一個(gè)整體，但各自又保持著不變的相對(duì)位置而下沉。這時(shí)又保持著不變的相對(duì)位置而下沉。這時(shí)水與絮體之間有一個(gè)清晰的界面，沉降水與絮體之間有一個(gè)清晰的界面，沉降過程就是這個(gè)界面下移的過程。過程就是這個(gè)界面下移的過程。l當(dāng)懸浮液中固體濃度很高時(shí)，顆粒之間當(dāng)懸浮液中固體濃度很高時(shí)，顆粒之間相互接觸，彼此上下支承，上層顆粒在相互接觸，彼此上下支承，上層顆粒在重力作用下對(duì)下層顆粒的間隙水不斷起重力作用下對(duì)下層顆粒的間隙水不斷起壓縮作用，顆粒群體被壓縮。壓縮作用，顆粒群體被壓縮。在

8、流動(dòng)狀態(tài)下，雷諾數(shù)不同，沉降方程不同。在流動(dòng)狀態(tài)下，雷諾數(shù)不同，沉降方程不同。當(dāng)當(dāng)Re2時(shí)的層流區(qū)：時(shí)的層流區(qū)： g(9r2v 2）介質(zhì)介質(zhì)粒子粒子 在在2 Re500的過渡區(qū)：的過渡區(qū)： rg26. 0v 23/11221s ）（ 在在2500 Re105的紊流區(qū)：的紊流區(qū)：2/12/111srg82. 1v ）（h1h2 沉降分析扭力天平wt4.滲透壓滲透壓 Vn RTn: 溶膠中所含膠粒的摩爾數(shù)。溶膠中所含膠粒的摩爾數(shù)。V: 溶膠的體積溶膠的體積 一般溶膠的滲透壓一般溶膠的滲透壓 大分子溶液的滲透壓大分子溶液的滲透壓)1(232cBcBMRTcVirial 方程B2、 B3 virial

9、 系數(shù)。系數(shù)。 c：kg/m3 l 0MRTcimc/c 對(duì)對(duì)c作圖，由截距可得分子量作圖，由截距可得分子量M（或數(shù)均分子量）（或數(shù)均分子量） 聚電解質(zhì)的滲透壓聚電解質(zhì)的滲透壓-Donnan 平衡平衡天然的生物聚合體大多是聚電解質(zhì)PXz P z+ +zX-P- (c1) Cl- (c2)Na+ (zc1) Na+ (c2)P- (c1) Cl- (c2-x)Na+ (zc1+x) Na+ (c2-x)Cl- (x) 內(nèi) （膜） 外滲透平衡時(shí) 內(nèi)外外內(nèi)外內(nèi)ClClNaNaNaClNaClaaaaaa 2 2122czccx 1 21czcNaClNaCl內(nèi)外為了保持電中性外外內(nèi)內(nèi)ClNazcCl

10、Na 1 )1 ( 211內(nèi)內(nèi)外NazcNaNa )( RTcc外內(nèi))410001(22yMczMRTcc： 蛋白質(zhì)濃度蛋白質(zhì)濃度 g ml-1M: 蛋白質(zhì)分子量蛋白質(zhì)分子量y： 膜內(nèi)膜內(nèi)Na+的濃度的濃度l1. 黏土懸浮體的粒子半徑為黏土懸浮體的粒子半徑為500nm，密，密度為度為1.50103kg/m3，將它分散在黏度為，將它分散在黏度為0.015mpa.s、密度為、密度為1.00103kg/m3的溶的溶液中，求其沉降速度。液中，求其沉降速度。l2. 今要制備一種微小粒子，試為其設(shè)計(jì)今要制備一種微小粒子，試為其設(shè)計(jì)一種測(cè)試其顆粒大小及分布的方法。一種測(cè)試其顆粒大小及分布的方法。（要求寫出需

11、要的主要儀器和實(shí)驗(yàn)原理（要求寫出需要的主要儀器和實(shí)驗(yàn)原理 )l膠體的光散射現(xiàn)象膠體的光散射現(xiàn)象l雷利光散射定律雷利光散射定律l在暗室里，將一束強(qiáng)光射過膠體溶液，在暗室里，將一束強(qiáng)光射過膠體溶液，在與光垂直方向上觀察，可以清楚地看在與光垂直方向上觀察，可以清楚地看到明顯的光路。光線越強(qiáng)，則光的路程到明顯的光路。光線越強(qiáng)，則光的路程越清楚。這個(gè)現(xiàn)象是越清楚。這個(gè)現(xiàn)象是1869年丁鐸爾年丁鐸爾（Tyndall）首次發(fā)現(xiàn)的，因此又稱丁鐸）首次發(fā)現(xiàn)的，因此又稱丁鐸爾現(xiàn)象。有時(shí)還稱之為丁鐸爾效應(yīng)。爾現(xiàn)象。有時(shí)還稱之為丁鐸爾效應(yīng)。l后來人們將該實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展到真溶液中，后來人們將該實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展到真溶液中，卻未能發(fā)現(xiàn)有

12、此現(xiàn)象。因此丁鐸爾卻未能發(fā)現(xiàn)有此現(xiàn)象。因此丁鐸爾現(xiàn)象是膠體體系的一種特征，是膠現(xiàn)象是膠體體系的一種特征，是膠體區(qū)別于真溶液的一種簡(jiǎn)單檢驗(yàn)方體區(qū)別于真溶液的一種簡(jiǎn)單檢驗(yàn)方法。法。lAgCl膠體膠體呈現(xiàn)蘭色；呈現(xiàn)蘭色；lAgBr膠體膠體呈現(xiàn)蘭色。呈現(xiàn)蘭色。l上述蘭色稱為丁鐸爾蘭。上述蘭色稱為丁鐸爾蘭。l同時(shí)發(fā)現(xiàn)：同一種膠體，在存放不同時(shí)同時(shí)發(fā)現(xiàn)：同一種膠體，在存放不同時(shí)間時(shí)，觀察到的顏色不斷在發(fā)生著變化。間時(shí)，觀察到的顏色不斷在發(fā)生著變化。l什么原因使膠體產(chǎn)生了丁鐸爾現(xiàn)象？什么原因使膠體產(chǎn)生了丁鐸爾現(xiàn)象？l膠體散射光強(qiáng)與那些因素有關(guān)？膠體散射光強(qiáng)與那些因素有關(guān)？l散射光測(cè)定有那些作用？散射光測(cè)定有

13、那些作用？l有三種方式：有三種方式：l對(duì)光的吸收對(duì)光的吸收l對(duì)光的反射對(duì)光的反射l對(duì)光的散射對(duì)光的散射l當(dāng)光的頻率與物體中分子的振動(dòng)頻率相當(dāng)光的頻率與物體中分子的振動(dòng)頻率相同時(shí)，則發(fā)生物質(zhì)對(duì)光的吸收，這時(shí)體同時(shí)，則發(fā)生物質(zhì)對(duì)光的吸收，這時(shí)體系的顏色就為吸收光的互補(bǔ)色。系的顏色就為吸收光的互補(bǔ)色。l如紅色金溶膠，對(duì)如紅色金溶膠，對(duì)500600nm的光產(chǎn)生的光產(chǎn)生吸收。吸收。l對(duì)光有選擇性的吸收主要取決于構(gòu)成物對(duì)光有選擇性的吸收主要取決于構(gòu)成物質(zhì)的分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)。質(zhì)的分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)。l若粒子的尺寸大于入射光的光波若粒子的尺寸大于入射光的光波長，則發(fā)生光的反射，這時(shí)，體長，則發(fā)生光的反射，這時(shí)，體系

14、的反射服從光反射定律。系的反射服從光反射定律。l若膠體粒子的尺寸小于入射光的光若膠體粒子的尺寸小于入射光的光波長，則會(huì)發(fā)生散射。膠體粒子中波長，則會(huì)發(fā)生散射。膠體粒子中的分子也能夠吸收一定波長的光，的分子也能夠吸收一定波長的光，從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。而從高能從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。而從高能級(jí)回到低能級(jí)時(shí)，要釋放能量。級(jí)回到低能級(jí)時(shí)，要釋放能量。l能量釋放時(shí)，所發(fā)出的光朝著各個(gè)能量釋放時(shí)，所發(fā)出的光朝著各個(gè)方向。若介質(zhì)的光學(xué)均勻性遭到破方向。若介質(zhì)的光學(xué)均勻性遭到破壞，極化率或折光指數(shù)發(fā)生局部變壞，極化率或折光指數(shù)發(fā)生局部變化，則在該處產(chǎn)生的誘導(dǎo)偶極矩與化，則在該處產(chǎn)生的誘導(dǎo)偶極矩與周圍介質(zhì)不同，

15、而輻射出來的次級(jí)周圍介質(zhì)不同，而輻射出來的次級(jí)光會(huì)因振幅不同而不能夠完全抵消，光會(huì)因振幅不同而不能夠完全抵消，這些光也會(huì)發(fā)生干涉等現(xiàn)象。從而這些光也會(huì)發(fā)生干涉等現(xiàn)象。從而產(chǎn)生散射現(xiàn)象。產(chǎn)生散射現(xiàn)象。l從上述分析可知道：發(fā)生散射主要是介質(zhì)從上述分析可知道：發(fā)生散射主要是介質(zhì)具有不均勻性（或者具有光學(xué)不均勻性）。具有不均勻性（或者具有光學(xué)不均勻性）。l產(chǎn)生不均勻性有兩種方式：產(chǎn)生不均勻性有兩種方式： 1、引入膠體顆粒，且與介質(zhì)的折光指數(shù)、引入膠體顆粒，且與介質(zhì)的折光指數(shù)差異越大，則散射越強(qiáng)烈；差異越大，則散射越強(qiáng)烈； 2、分子熱運(yùn)動(dòng)本身可引起折光指數(shù)的局、分子熱運(yùn)動(dòng)本身可引起折光指數(shù)的局部漲落。部

16、漲落。l對(duì)于膠體體系，前者為主要的。對(duì)于膠體體系，前者為主要的。 l我們可以將入射光看成是電磁波，其振我們可以將入射光看成是電磁波，其振動(dòng)頻率達(dá)到動(dòng)頻率達(dá)到1015Hz數(shù)量級(jí)，光照射在微數(shù)量級(jí)，光照射在微粒上就如電磁波作用在微粒上，從而使粒上就如電磁波作用在微粒上，從而使微粒內(nèi)部的分子極化并以同樣的頻率發(fā)微粒內(nèi)部的分子極化并以同樣的頻率發(fā)生振動(dòng)。即分子吸收了光的能量后，會(huì)生振動(dòng)。即分子吸收了光的能量后，會(huì)由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。當(dāng)由高能級(jí)往由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。當(dāng)由高能級(jí)往低能級(jí)返回時(shí)，會(huì)以光的形式將能量釋低能級(jí)返回時(shí)，會(huì)以光的形式將能量釋放出來。放出來。l雷利（雷利（Rayleigh）光散射理

17、論：）光散射理論：主要研主要研究稀氣溶膠的散射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度究稀氣溶膠的散射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度的關(guān)系。他考慮的是膠體粒子的粒徑遠(yuǎn)的關(guān)系。他考慮的是膠體粒子的粒徑遠(yuǎn)小于入射光的光波長。小于入射光的光波長。lRGD理論：理論：是是Rayleigh、Gans and Debye 三人共同提出的，適合粒子直徑三人共同提出的，適合粒子直徑小于十分之一入射光波長時(shí)的情況。小于十分之一入射光波長時(shí)的情況。l邁爾（邁爾（Mie）理論：）理論：主要解決膠體粒子直主要解決膠體粒子直徑接近入射光波長時(shí)的情況。徑接近入射光波長時(shí)的情況。l弗朗荷弗（弗朗荷弗（Fraunhofer）理論：）理論：主要解決主要解決膠體

18、粒子直徑為入射光波長膠體粒子直徑為入射光波長4倍時(shí)的情況。倍時(shí)的情況。l研究的粒子直徑越接近入射光波長，研究研究的粒子直徑越接近入射光波長，研究的難度越大，建立的模型越復(fù)雜。的難度越大，建立的模型越復(fù)雜。l主要介紹雷利（主要介紹雷利（Rayleigh）光散射理論。）光散射理論。l1871年年，雷利運(yùn)用電磁波理論和電動(dòng)力雷利運(yùn)用電磁波理論和電動(dòng)力學(xué)理論，推導(dǎo)出雷利光散射理論。其基學(xué)理論，推導(dǎo)出雷利光散射理論。其基本思路是：首先研究一個(gè)粒子的光散射本思路是：首先研究一個(gè)粒子的光散射情況，爾后再推廣到多個(gè)粒子中。情況，爾后再推廣到多個(gè)粒子中。l在稀體系中，光散射的強(qiáng)度等于若在稀體系中，光散射的強(qiáng)度等

19、于若干個(gè)粒子的光散射強(qiáng)度之和。干個(gè)粒子的光散射強(qiáng)度之和。l建立的模型是：光沿著建立的模型是：光沿著y軸傳播，在軸傳播，在距離該粒子距離為距離該粒子距離為r的的P點(diǎn)來觀察散點(diǎn)來觀察散射光強(qiáng)度，射光強(qiáng)度， P點(diǎn)與點(diǎn)與z軸的夾角為軸的夾角為。l從而有：從而有：I = 22EOE2sin2 /4r2 式中：式中： I散射光強(qiáng)度；散射光強(qiáng)度； 介質(zhì)極化率；介質(zhì)極化率； EOE電矢量在電矢量在z軸的偏振光；軸的偏振光； 入射光波長；入射光波長； r粒子距粒子距P點(diǎn)的距離。點(diǎn)的距離。l可以看出：可以看出：l散射光強(qiáng)度與入射光波長成反比；散射光強(qiáng)度與入射光波長成反比；l散射光強(qiáng)度與觀察點(diǎn)距離成反比；散射光強(qiáng)度

20、與觀察點(diǎn)距離成反比；l當(dāng)當(dāng)為為900時(shí)，散射光強(qiáng)度最大。時(shí)，散射光強(qiáng)度最大。l雷利將該方法應(yīng)用到稀溶膠中，得出散雷利將該方法應(yīng)用到稀溶膠中，得出散射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度之間的關(guān)系：射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度之間的關(guān)系： )2(24I 2222122214222nnnnNVAl散射光強(qiáng)度與入射光波長的散射光強(qiáng)度與入射光波長的4次方成反比；次方成反比；l散射光強(qiáng)度與粒子數(shù)量成正比；散射光強(qiáng)度與粒子數(shù)量成正比；l散射光強(qiáng)度與粒子體積的散射光強(qiáng)度與粒子體積的2次方成正比；次方成正比；l粒子的折射指數(shù)與周圍介質(zhì)差距越大，粒子的折射指數(shù)與周圍介質(zhì)差距越大，散射光越強(qiáng)。散射光越強(qiáng)。lI（r，）是一個(gè)組合，代表距觀察

21、）是一個(gè)組合，代表距觀察粒子距離為粒子距離為r、與入射光夾角為、與入射光夾角為是是時(shí)的散射光強(qiáng)，不能將其拆開。時(shí)的散射光強(qiáng)，不能將其拆開。l1、測(cè)定溶膠大小；、測(cè)定溶膠大小；l2、測(cè)定膠體粒子形狀；、測(cè)定膠體粒子形狀；l3、估計(jì)膠體粒子分散度；、估計(jì)膠體粒子分散度；l4、研究聚沉動(dòng)力學(xué)；、研究聚沉動(dòng)力學(xué)；l5、水質(zhì)測(cè)量（懸浮物含量）。、水質(zhì)測(cè)量（懸浮物含量）。EyeTech系列特點(diǎn)：系列特點(diǎn)：能分析粒度，能分析粒度，粒形粒形 與與 濃度濃度 ,測(cè)量結(jié)果直接與顆測(cè)量結(jié)果直接與顆粒大小相關(guān)，粒大小相關(guān)，能分析非球狀顆粒能分析非球狀顆粒的形狀的形狀, 無需了解樣品的折無需了解樣品的折射指數(shù)射指數(shù) 。

22、激光粒度儀：粒度范圍為激光粒度儀：粒度范圍為0.1-3600微米微米 哈希公司專利的Ratio測(cè)量：只需按一個(gè)鍵,后動(dòng)Ratio置.測(cè)量,按箭頭為90比濁度模式。Batio測(cè)量修正色度干擾增強(qiáng)校正穩(wěn)定，可測(cè)量高于1000NTU的濁度(2100N，AN，ANIS) MoniTurb-F 濁度傳感，采用濁度傳感，采用12前散射光來檢前散射光來檢測(cè)液體中懸浮顆粒。測(cè)液體中懸浮顆粒。12前散射光測(cè)量結(jié)果與前散射光測(cè)量結(jié)果與顆粒大小有關(guān)，并且可換算成質(zhì)量濃度。傳感顆粒大小有關(guān)，并且可換算成質(zhì)量濃度。傳感器可安裝在幾乎所有類型的管道上。器可安裝在幾乎所有類型的管道上。 l基本流型基本流型l膠體流變性膠體流

23、變性l高聚物溶液高聚物溶液l流變學(xué)（流變學(xué)（Rheology）是研究物質(zhì)）是研究物質(zhì)在外力作用下發(fā)生形變和流動(dòng)的在外力作用下發(fā)生形變和流動(dòng)的科學(xué)?？茖W(xué)。l主要研究剪切應(yīng)力、切變速度與主要研究剪切應(yīng)力、切變速度與時(shí)間三者之間的關(guān)系。時(shí)間三者之間的關(guān)系。l切變速度與切應(yīng)力切變速度與切應(yīng)力l由于速度梯度的存在，流動(dòng)較慢的液層由于速度梯度的存在，流動(dòng)較慢的液層阻滯較快液層的流動(dòng)，因此阻滯較快液層的流動(dòng)，因此.液體產(chǎn)生運(yùn)液體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)阻力。動(dòng)阻力。l為使液層維持一定的速度梯度運(yùn)動(dòng)，必為使液層維持一定的速度梯度運(yùn)動(dòng)，必須對(duì)液層施加一個(gè)與阻力相反的反向力。須對(duì)液層施加一個(gè)與阻力相反的反向力。l在單位液層面積上

24、施加的這種力稱為切在單位液層面積上施加的這種力稱為切應(yīng)力應(yīng)力(N/m2)。 黏度：黏度：將兩塊面積為將兩塊面積為1m2的板浸于液體中，的板浸于液體中，兩板距離為兩板距離為1米，若加米，若加1N的切應(yīng)力，使兩的切應(yīng)力，使兩板之間的相對(duì)速率為板之間的相對(duì)速率為1m/s，則此液體的，則此液體的黏度為黏度為1Pa.s。lD=d v /d x (S-1)l切應(yīng)力與切變速率是表征體系流變性質(zhì)切應(yīng)力與切變速率是表征體系流變性質(zhì)的兩個(gè)基本參數(shù)。的兩個(gè)基本參數(shù)。 牛頓液體：牛頓液體：符合牛頓公式的流體。符合牛頓公式的流體。 黏度黏度只與溫度有關(guān)，與切變速率無關(guān)，只與溫度有關(guān)，與切變速率無關(guān)， 與與D為正比關(guān)系。

25、為正比關(guān)系。 非牛頓液體：非牛頓液體：不符合牛頓公式不符合牛頓公式 /D=f（D），以），以a表示一定（表示一定（/D）下的黏度，）下的黏度，稱表觀黏度。稱表觀黏度。l毛細(xì)管黏度計(jì)毛細(xì)管黏度計(jì) 用于測(cè)定液體、溶液和膠體溶液的黏度，主要用于測(cè)定液體、溶液和膠體溶液的黏度，主要使用于牛頓流體。使用于牛頓流體。l轉(zhuǎn)筒式黏度計(jì)轉(zhuǎn)筒式黏度計(jì) 適用于非牛頓流體的黏度測(cè)定，用于測(cè)定流體適用于非牛頓流體的黏度測(cè)定，用于測(cè)定流體流形。流形。l錐板式黏度計(jì)錐板式黏度計(jì) 適用于非牛頓流體的年黏度測(cè)定。切變速率范適用于非牛頓流體的年黏度測(cè)定。切變速率范圍較大。圍較大。技術(shù)參數(shù)：技術(shù)參數(shù)： 壓力范圍：壓力范圍： - U

26、HV（超高真空）至（超高真空）至500bar（可訂制到（可訂制到2000 bar） - 真空至真空至1.3 bar 溫度范圍：溫度范圍： - -196350 - -60250 通過熱解耦樣品溫度可通過熱解耦樣品溫度可達(dá)達(dá)2000 Rubotherm 粘度儀 l牛頓流體牛頓流體l塑性流體塑性流體l假塑性流體假塑性流體l膨脹型流體膨脹型流體l牛頓流體的流型方程是：牛頓流體的流型方程是： D = 其中：其中：D為流速梯度；為流速梯度； 為剪切應(yīng)力；為剪切應(yīng)力； 為體系黏度。為體系黏度。l流變曲線是流速梯度與切應(yīng)力之間流變曲線是流速梯度與切應(yīng)力之間的關(guān)系。的關(guān)系。l牛頓流體的兩個(gè)特征：牛頓流體的兩個(gè)特

27、征： 1、一旦受到外力就流動(dòng)；、一旦受到外力就流動(dòng)； 2、黏度是體系的性質(zhì)，與體系的介、黏度是體系的性質(zhì)，與體系的介質(zhì)、組成有關(guān)。質(zhì)、組成有關(guān)。l屬于牛頓流體的有：屬于牛頓流體的有：水；水；有機(jī)溶劑；有機(jī)溶劑；稀溶液等。稀溶液等。l塑性流體的流變曲線有以下特征：塑性流體的流變曲線有以下特征：1、流變曲線不過原點(diǎn)；、流變曲線不過原點(diǎn)；2、當(dāng)流體受到外力增大到一定程度后，、當(dāng)流體受到外力增大到一定程度后，流體才流動(dòng)；流體才流動(dòng)；3、只有當(dāng)、只有當(dāng)增大到一定數(shù)值時(shí)，體系增大到一定數(shù)值時(shí)，體系才呈現(xiàn)牛頓流體特征。才呈現(xiàn)牛頓流體特征。 - 0 = 塑塑（dV/dX）l呈現(xiàn)塑性流體主要是粒子之間形成了一呈

28、現(xiàn)塑性流體主要是粒子之間形成了一定的結(jié)構(gòu)，且這種結(jié)構(gòu)有一定的強(qiáng)度，定的結(jié)構(gòu)，且這種結(jié)構(gòu)有一定的強(qiáng)度，當(dāng)外力較小時(shí)，尚不足以破壞形成的結(jié)當(dāng)外力較小時(shí)，尚不足以破壞形成的結(jié)構(gòu)，流體處于不流動(dòng)狀態(tài)；而當(dāng)外力大構(gòu)，流體處于不流動(dòng)狀態(tài)；而當(dāng)外力大到可以破壞該結(jié)構(gòu)時(shí)，流體流動(dòng)；外力到可以破壞該結(jié)構(gòu)時(shí)，流體流動(dòng)；外力繼續(xù)加大，使結(jié)構(gòu)破壞速度與生成速度繼續(xù)加大，使結(jié)構(gòu)破壞速度與生成速度相同時(shí)，呈現(xiàn)牛頓流體特征。相同時(shí)，呈現(xiàn)牛頓流體特征。l典型事例：鉆井泥漿典型事例：鉆井泥漿l流變曲線呈現(xiàn)兩個(gè)特點(diǎn)：流變曲線呈現(xiàn)兩個(gè)特點(diǎn)：1、曲線過原點(diǎn)，即只要有外力，流體就流、曲線過原點(diǎn)，即只要有外力，流體就流動(dòng)；動(dòng)；2、隨著剪

29、切應(yīng)力的增加，流動(dòng)速度加快，、隨著剪切應(yīng)力的增加，流動(dòng)速度加快，速度梯度增大，流體的黏度越來越低。速度梯度增大，流體的黏度越來越低。這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為“剪切稀釋現(xiàn)象剪切稀釋現(xiàn)象”。 = K（dV/dX）n上式中：上式中：n稱為流性指數(shù)，數(shù)值越小，說明非稱為流性指數(shù)，數(shù)值越小，說明非牛頓性越強(qiáng)。牛頓性越強(qiáng)。K越大，黏度越高，稱其為稠度指數(shù)。越大，黏度越高，稱其為稠度指數(shù)。l長棒型的粒子；長棒型的粒子；l高聚物溶液；高聚物溶液；l乳狀液粒子；乳狀液粒子；l溶劑化層。溶劑化層。l隨著切應(yīng)力的增加，黏度增大，靜止時(shí)隨著切應(yīng)力的增加，黏度增大，靜止時(shí)恢復(fù)原狀?；謴?fù)原狀。l典型事例：面團(tuán)典型事例：面

30、團(tuán)l膠體體系由于其中含有一定量的粒膠體體系由于其中含有一定量的粒子，因此其流動(dòng)狀態(tài)與溶液相比要子，因此其流動(dòng)狀態(tài)與溶液相比要復(fù)雜得多。復(fù)雜得多。l體系中涉及的相互作用有：粒子之體系中涉及的相互作用有：粒子之間，粒子與溶劑之間，溶劑之間等。間，粒子與溶劑之間，溶劑之間等。l還要受到粒子的幾何形狀、大小、還要受到粒子的幾何形狀、大小、分散狀態(tài)、溶劑化程度等的影響。分散狀態(tài)、溶劑化程度等的影響。l假定：假定：1、體系的密度及黏度為常數(shù)；、體系的密度及黏度為常數(shù)；2、物系流動(dòng)速度緩慢，為層流；、物系流動(dòng)速度緩慢，為層流；3、物系為稀體系，粒子之間的相互作用可、物系為稀體系，粒子之間的相互作用可以忽略；

31、以忽略；4、粒子為大小均一的剛性球形粒子，并且、粒子為大小均一的剛性球形粒子，并且可被介質(zhì)所潤濕?？杀唤橘|(zhì)所潤濕。 = 0（1 +2.5）上式中：上式中：為膠體體系的黏度；為膠體體系的黏度；0為介質(zhì)的黏度；為介質(zhì)的黏度；為分散相的體積分?jǐn)?shù)。為分散相的體積分?jǐn)?shù)。 /0 =1 +k1 + k2 2 + k3 3 +式中：式中：K為形狀因子為形狀因子對(duì)于球型粒子：對(duì)于球型粒子： k1=2.5； k2= 14.1l對(duì)于愛因斯坦公式，當(dāng)體積因子對(duì)于愛因斯坦公式，當(dāng)體積因子大于大于10時(shí)，結(jié)果偏差較大。時(shí)，結(jié)果偏差較大。l因此對(duì)于愛因斯坦公式，由于實(shí)因此對(duì)于愛因斯坦公式，由于實(shí)際情況的復(fù)雜性，需要根據(jù)實(shí)際

32、際情況的復(fù)雜性，需要根據(jù)實(shí)際情況做適當(dāng)?shù)男Ｕ?。情況做適當(dāng)?shù)男Ｕ?。l1、粒子的形狀、粒子的形狀l當(dāng)懸浮體系運(yùn)動(dòng)時(shí)，處于其中的膠體粒當(dāng)懸浮體系運(yùn)動(dòng)時(shí)，處于其中的膠體粒子不但有平移運(yùn)動(dòng)，而且存在著轉(zhuǎn)動(dòng)。子不但有平移運(yùn)動(dòng)，而且存在著轉(zhuǎn)動(dòng)。不同形狀的粒子由于轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的水力學(xué)半不同形狀的粒子由于轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的水力學(xué)半徑不同，因此對(duì)黏度的影響不同。徑不同，因此對(duì)黏度的影響不同。l具體示意圖見鄭忠：具體示意圖見鄭忠：420頁。頁。 = 0（1 +K）l不同形狀，不同形狀，K值不同。值不同。l2、粒子大小及分散性、粒子大小及分散性l在同一體積濃度下，粒子越小，相應(yīng)懸在同一體積濃度下，粒子越小，相應(yīng)懸浮體的黏度就越大。原因有：浮體的黏度就越大。原因有：l1）粒子越小，數(shù)量越多，粒子之間的距）粒子越小，數(shù)量越多，粒子之間的距離越小，相互作用增強(qiáng)；