结构流体的流变性试验

根据定义，流体材料是在受到应力时流动的系统亚博网站下载。分析它们如何应对输入应力是流变检测的主要目标，并且可能是一个复杂的问题。

流体材料广泛亚博网站下载分类为简单且结构化的流体。简单的流体是由均匀相的材料，例如纯物亚博网站下载质或溶液。亚博网站下载由多相组成的材料，例如不混溶的液体乳液，泡沫中的气体颗粒，分散在液体中的固体颗粒，以及由多相结构组成并显示复杂的流动行为的半固体称为结构化流体。yabo214这是因为它们的成分的相互作用通常占主导地位流变行为。

结构化液体

结构流体的稳定性受到多种因素的影响。分散剂中的液相粘度对分散剂的流动特性有很大的影响。颗粒形状、大小和浓度等因素，以及与分散悬浮的连续相的任何吸引力，也会影响分散的性能。

悬yabo214浮液中的颗粒在它们之间存在静电或空间力的存在网络结构，在不受干扰时使悬浮液稳定。这种微妙的结构可以通过剪切甚至布朗运动来破坏，因此液体的粘度受到影响。图1显示了结构化流体的复杂流动行为（牛顿流体行为）。

图1所示。结构流体的粘度与剪切速率和颗粒浓度的函数

大多数材料的黏度在较高的剪切速度和应力反应速率下降低。亚博网站下载这种现象称为剪切变薄，随着固体颗粒体积浓度的增加，剪切变薄逐渐变大。yabo214当固体含量较高时，低剪切速率粘度区消失，物料开始屈服。

某些材料的黏度在剪切变薄区域后随着速率或应力亚博网站下载的增加而增加，通常是由施加的剪切引起的结构重排的结果。这种行为称为流动诱导剪切增厚。

特征流程参数和功能

宾厄姆流程

根据尤金·宾厄姆的说法，要使大多数真实的流体流动，必须达到临界应力水平。这种材料在临界应力(τy)以下就像固体一样，吸收应力能量而不流动。当达到临界应力阈值时，材料屈服流动。宾汉流体是在屈服应力以上表现出牛顿流动亚博网站下载的材料。

塑料流量

许多材料在亚博网站下载屈服后并不表现出牛顿流动，而是经历粘度的下降，直到达到一个平台。牙膏、钻井泥浆、口红都是非牛顿材料，在屈服应力作用下会被剪切变薄。亚博网站下载

假塑性和膨胀

假塑性材料如油漆和化妆品表现亚博网站下载出非线性行为，但没有屈服应力。一旦施加应力，它们就会立即流动。它们也表现出剪切变薄的行为。图2描绘了不同材料的粘度与剪切速率的关系图。亚博网站下载

图2。粘度与不同类型的材料的剪切速率

在搅拌或剪切时，一些材料如Quicksand亚博网站下载和潮湿的沙滩砂的粘度增加。这种现象称为膨胀或剪切增厚。材料不稳定和相分离或结构重排是剪切增厚的原因。

触变性

大多数流体材料的稳定状态依赖于内部网络结构的稳定，这可以在施加亚博网站下载剪切时被破坏，并且需要花费时间来重建。在结构分解和重建之间建立平衡后，粘度达到了高原。该材料重建其内部网络，从而在去除应力后粘度（图3）。这种现象称为触变性。

图3。采用小应变幅振荡试验监测了结构在前一次剪切后的重建

rheopexy.

当应用恒定的剪切速率时，触变流体的粘度随时间下降。相反，流变流体的粘度，如胶乳颗粒或塑性溶胶的密集悬浮，在施加剪切力时增加。粘剪率曲线形成一个迟滞回路，迟滞有无限重复的可能。

这是一种区分真实和明显的流血行为的一种方式。在施加剪切时，在物理或化学（溶剂蒸发和胶凝）的液体的粘度也增加。然而，这些变化是不可逆转的，因此不代表真正的流盆。

时间依赖 - 蠕变和蠕变恢复

胡克和牛顿材料在施加的输入应力或应变率下立即亚博网站下载响应。即使施加的应力高于临界应力亚博网站下载或屈服点，粘弹性材料也不会立即响应恒定的流动。当应力被消除时，它们会恢复到原来的状态，但这是逐渐的，通常是不完全的。这种现象叫做蠕变。

可以使用蠕变研究确定材料的屈服应力（图4亚博网站下载）。当应力小于屈服应力时，材料类似于固体并且经历完全恢复。不完全恢复表明材料已达到其屈服应力。

图4。确定屈服点的一系列蠕变试验

流变测试方法

屈服应力和应力斜坡

屈服应力是生产中的关键参数，确定将产品填充到其容器中或通过管道开始泵送所需的力。屈服应力通常通过应力斜坡试验（图5）测量。粘度最大值的应力可以容易地测量大多数结构的流体，是屈服应力的措施。

图5。基于应力斜坡粘度最大法的化妆品屈服应力测量

临界应变和应变扫描

粘弹性材料表现出低于临界应变水平GC以下的线性流变性能，其示出了非线性行为和储存模量下降。因此，测量存储和损耗模量（G'，G“）的幅度依赖性是粘弹性行为表征的第一步。通过应变扫描建立材料的线性程度（图6）。胶体力的强度由TAN D =（g“/ g'）表示。中间棕褐色D是稳定的系统优选的。

图6。张力扫描为水性丙烯酸涂层

结构和频率扫描

在通过应变扫描定义流体的线性粘弹性区域之后，应使用小于临界应变（γC）的应变处的频率扫描来表征流体的结构，以获得胶体力的影响，以及液滴或粒子之间的相互作用。yabo214在稳定振荡幅度和温度下在一系列振荡频率上进行频率扫描中的测量。

在临界应变以下，频率通常不会对弹性模量G '产生影响，这与结构材料或固体类材料的预期一样。当弹性模亚博网站下载量与频率相关时，材料表现得更像流体(图7)。

图7。在模拟火箭推进剂材料上的频率扫描:在高应变振幅(G ' >G ')下表现出更像流体的行为，在低应变(G ' >G ')下表现出更像固体的行为。

屈服应力和蠕变恢复

可以使用蠕变测试分析样品的时间依赖性特征，该蠕变测试提供了诸如平衡依从性的关键参数（J._eo.)和零剪切粘度(ηo)来测量材料的弹性反冲(图8)。在允许试样在负载下蠕变后，为了获得其弹性行为，在去除附加应力后测量其恢复程度。

图8。饼干面团的蠕变恢复

结构变化和触变环

触变材料的结构在施加的剪切下突破并恢复静置。这种特性对于化妆品和涂料等产品至关重要。需要滞后的时间才能为涂料施加涂料，然后涂料必须能够重建其粘度以避免滴水和下垂。这种行为在蛋黄酱等食品中也至关重要。三手乳液的触变性在图9中呈现，其中曲线之间的区域表示触变性的程度。

图9。手部洗液的触变性- 25°C压力斜坡

流曲线和步进剪切速率

一种材料的加工和性能数据可以从其与剪切速率相一致的粘度得到。亚博网站下载材料在储存条件下表现出低剪切速率行为。亚博网站下载由于结构差异，在流动曲线一端具有相同特性的材料在另一端的特性可能会有所不同(图10)。

图10。两种胶粘剂分散剂的流动曲线。产物在高剪切速率下差异显著。

温度依赖性振荡温度斜坡

图11显示了一个动态温度梯度研究，涉及以1.5°C/min的速度将卡拉胶从70°C冷却到20°C，并将样品保持在较低温度1h。该材料在冷却期间经历了高应变(10%)，但在等温期间的应变非常低(0.1%)，以避免破坏在低温下创建的结构。

图11。角叉菜胶温度斜坡用于再现生产周期，储存或使用条件

通过动态温度倾斜研究，可以模拟生产，储存和使用条件，或者可以评估化妆霜等产品的长期稳定性。使用流变测试，可以预测物质行为而无需昂贵的批量研究。

压力松弛

应力松弛实验在通过应用步骤应变变形的施加产生的施加应变时，观察样品的应力衰减。应力松弛的轮廓对于经历重复菌株的材料来确定在典型用途的时间等级上确定耗散应力的可能性。亚博网站下载图12显示了在23℃下使材料进行1％菌株的人类软骨的应力松弛。

图12。人类软骨的应激松弛行为

液体Mater亚博网站下载ials-Applications

装饰和防护涂料

在装饰性和保护涂层的生命周期中发生的性能关键流变变化可以通过流变测试来测量。涂层的可塑性，溅射，水平和下垂是受流变病学影响的涂料的主要性能方面。将横向流动并降低涂层相邻区域的厚度差异的能力被称为水平。调平影响颜色，光泽，平滑度和机械行为。在表1中比较了六种胶乳涂料的平整行为的主观排序与它们的复合粘度为25％菌株。

表1。乳胶漆调平性能与复合粘度的比较

油漆类型	样本数量	水准测量的行为	粘度(Pa s) @25%应变
搪瓷	一个	好的	18
idem.	B	公平的	75.
idem.	C	可怜的	284.
平	D	公平	25
idem.	E	公平的	35
idem.	F	非常贫穷的	57.

涂层沿垂直表面向下的不良流动称为下垂，这取决于涂层在低剪切速率下的厚度和粘度。喷溅阻力是指涂层的弹性，主要取决于流体的拉伸粘度。弹性模量(G’)测量在高应变有助于预测飞溅阻力。可刷性与剪切速率对粘度的影响有关。涂刷假塑性涂层比涂刷牛顿流体容易。

印刷油墨

两种主要的墨水类是用于图形艺术和电子行业的丝网印刷的墨水，以及用于印刷报纸的墨水。虽然它们的组成有所不同，但它们分享了一种特征：流变复杂性。丝网印刷是可能的墨水是触变性的。动态测试，如触变性分析和应变，温度和频率扫描，以及用于屈服应力测量的瞬态应力斜坡试验来支持图形油墨的开发。

这些动态测试也有助于提高厚膜电阻器、焊料、电极、电容器和热固性导体浆料在高速丝网印刷电子电路元件和电路板上的应用。为了更好地表征报纸油墨的性能，需要进行稳定和瞬态剪切研究、法向应力和拉伸粘度测量等测试。这是因为它们在通过印刷机的钳口时，经历了高剪切速率和突然的剪切速率和剪切方向变化(图13)。

图13。三种型号油墨的粘度和剪切应力与剪切速率。低速率下应力的平台值为屈服应力。

软固体

软固体如花生酱，牙膏和水泥具有相对低的模量，但由于在施加非常小的变形时，由于高弹性的响应和内部结构而表现出固体性能。然而，它们在施加更大的变形时显示复杂的流动行为。它们通常具有屈服应力，并且由于它们在低菌株处的固体行为而难以处理。在启动流动之后，速度曲线可以显示层流和塞流的性质，尤其是在存在屈服应力和诸如壁滑等上的现象。

然而，现代流变仪能够在与加工条件类似的条件下测量软固体的粘弹性响应，提供有助于帮助工艺设计的信息。旋转剪切测量结果产生软固体的粘度与剪切速率响应，在流动速率发作或变化的变化下提供有关瞬态行为的数据。通过在低菌株下进行动态机械测试，可以确定软固体的结构。使用受控应力测试（蠕变，应力斜坡）（图14），可以在高于和低于屈服点的应力水平上表征软固体（图14）。

图14。储存模量G'的应变依赖性在泵送方便中差异不同

聚合物溶液

溶解在溶剂中的聚合物广泛使用粘合剂和涂层。并且，添加表面活性剂，聚合物溶液为涂料，化妆品，洗涤剂和其他回收液提供依据。稳定和动态的流变测试都可用于评估这些材料。亚博网站下载可以使用稳定和动态的流变测试来评估聚合物溶液。用于改善的油回收的高分子溶液由于在孔孔中旋转塔诱导的高剪切速率而导致的永久性粘度降低，因此在长时间使用后失去了效率。可以通过高分子量聚合物和表面活性剂的组合显影高粘度来形成免于剪切劣化的复合物免受剪切降解（图15）。流变测试，尤其是动态时间测试，广泛用于分析反应性系统的溶液，以测量它们在反应过程中经历的粘弹性变化以及将产品的形成成所需的最终形式。

图15。零剪切粘度与CTAB和TTAB浓度为0.5％HMHEC水溶液，以低于1-1001 / s的剪切速率

磁悬挂

分散在聚合物溶液中的针状氧化铁颗粒的混合物用于制造用于诸如硬盘和软盘yabo214计算机磁盘的产品中的磁性涂层，以及音频，视频和数字记录介质。对于这些应用，知道在低应力和高剪切速率下的磁性涂层的行为至关重要。

高剪切速率粘度有助于估计泵送压力和涂层辊分离力和扭矩。屈服应力对旋转涂布的平整、厚度均匀性和凹版涂布的检出起着至关重要的作用。屈服应力对干燥性能和流动稳定性也有影响。粒子之间的磁力、它们的拓扑结构以及它们被外部磁场定向的程度yabo214可以从剪切模量中测量出来(图16和17)。

图16。施加低于其屈服应力2 Pa的应力后，模型磁悬浮的蠕变和蠕变恢复

图17。在施加其屈服应力(20 Pa)和相当高的应力后，模型磁悬浮的蠕变和蠕变恢复

体液

流变测试有助于在药物，医疗和个人卫生产品的不同阶段中获得新的阶段的人和动物体液。例如，使用稳定，动态和瞬态测试，进行合成多肽，并评估以观察生物流体中的蛋白质网络形成;探讨某些侧群在天然存在的蛋白中的作用;研究血液凝固机制;并开发用于绷带和卫生巾评估的合成体液（图18）。

图18。四聚刀豆蛋白A对血小板-纤维蛋白凝块硬度(G′)和收缩力的影响

流体案例研究的流变学

预测食品的质地

由于越来越多的顾客意识到，由于越来越多的健康意识，低脂肪食品具有巨大的市场潜力。然而，他们的口感是一个主要问题。具有低脂肪含量的食物的流变概况不同（图19）。粘度的变化可能对客户在消费期间的蔓延和口感感受产生负面影响。较低的G'（储能）代表了产品长期沉降的问题，这也将对消费者偏好产生负面影响。

图19。花生酱频率扫描低和高脂肪含量

浸入研究

许多不同类型的材料在浸泡条件下被利用。亚博网站下载干式和原位测试显示出明显不同的行为剖面。必须监测材料在其应用中所遇到的条件下的应力消散能力和频率依赖程度。图20显示了纤维蛋白凝胶在宽频率范围内浸泡在水中的行为。如果没有这样的现场测试，就不可能确定产品的适用性。

图20。浸渍纤维蛋白凝胶的频率扫描

PVC凝胶的溶胶 - 凝胶过渡

聚合物凝胶是通过物理或化学相互作用从柔性链产生的3D网络。溶胶 - 凝胶转变代表从液态（溶胶）到固态（凝胶）的转化，凝胶点是关键转变点。如果损耗切线变为频率，则可以使凝胶点变为无关，作为浓度的函数。

在图21中介绍了在Bi（2-乙基己基）邻苯二甲酸盐（PVC中）中的0.1至100 rad / s的一系列频率的TANδ的浓度依赖性。从多频的共同点TANδ（处于恒定频率）与浓度的图，可以容易地衍生凝胶点。

图21。PVC凝胶的溶胶 - 凝胶过渡

该信息已从TA Instruments提供的材料中获取、审查和改编。亚博网站下载

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