日常生活中的流变学案例之假塑性流体

日常生活中的流变学案例之假塑性流体
流变学是一门描述在外力作用下物体形变的学科。

从流变学角度可以将流体划分为两个大类，即牛顿流体和非牛顿流体。

牛顿流体是指剪切应力与剪切速率成正比的流体，具备理想液体的流动特性。

凡不同于牛顿流体的都称为非牛顿液体，即其剪切应力与剪切速率之间不是线性关系的流体，它们在数量上远远超过理想液体。

在非牛顿流体中，其中有一类非常重要、也是最普遍的流体类型，称为假塑性流体，也就是所谓的剪切变稀流体。

这类流体的流动行为表现在当剪切速率从低到高增大时，流体的粘度急剧下降。

比如，将化妆品在手上以一定的速度涂抹，化妆品会很容易涂开；当把较为粘稠的涂料以一定的涂刷速度涂到墙上的时候，涂料会很容易在墙上铺展开；又如，平时生活中吃火锅用到的麻酱，当我们用筷子以一定的速度搅拌时，会发现麻酱变得越来越稀，以便更好的去食用；再如平时我们生活中用到的喷雾，从塑造发型的发胶，到呼吸道疾病中用到的鼻喷用药物，当液滴从细小的喷嘴中喷出时它的粘度会迅速下降，这样才能形成良好的喷雾效果。

以上都是在日常生活中常见的流变学中一类重要流体——
假塑性流体的实际案例。

从
技术角度讲，上述现象意味着在给定作用力或压力下，许多物质能被强制流动，或者通过
图1 日常生活中假塑性流体案例（以上图片均来源于网络）
降低能量来维持一定的流速。

当剪切速率增大时，剪切变稀成为假塑性。

在技术上和商业上具有重要意义的悬浮液、乳液或其他分散体系均属此类。

以其中的一类聚合物溶液为例，该溶液中的聚合物分子具有缠绕或环状的长分子链。

静止时，所有这些物质将维持内部的不规则次序，因而具有相当高的内部阻力（即较高的粘度）阻碍流动。

随着剪切速率的增大，熔体或溶液中链状分子沿驱动力方向解缠绕、拉伸和取向。

排列后的颗粒或分子线团可以更容易的彼此相互滑过，从而使得物料在给定的剪切应力下流得更快。

以上所述的假塑性流体流动行为可以通过现代非常重要且应用极其广泛的先进流变测量技术来表征。

以牙膏为例，我们知道，当牙膏被挤出管口或者在口腔内铺展时都会受到不同的作用力。

这些不同程度的作用力都会促使牙膏产生不同的流动速度，在流变仪中我们用不同程度的剪切速率来对应不同的过程，通过测量剪切粘度随剪切速率的变化来模拟牙膏在受到不同作用力，如挤出和涂刷过程条件下流动行为的变化。

我们采用英国马尔文仪器公司的Kinexus系列高级旋转流变仪来测试某品牌牙膏样品的流动曲线如下图所示：
图2马尔文Kinexus系列高级旋转流变仪测试牙膏的粘度曲线图2是使用Kinexus旋转流变仪测得牙膏样品的粘度曲线。

Y轴是剪切粘度，X轴是剪切速率，范围是从0.01到1000s-1。

可以看出该牙膏样品的剪切粘度随剪切速率增加而减小，呈现剪切变稀的现象，属于假塑性流体。

在低剪切速率下，样品的剪切粘度约为7000Pa s，但到了中高剪切速率下，样品的剪切粘度降至几个Pas，下降三个数量级，体现出非常明显的假塑性流体特征。

另外从图中可以看到，曲线在最后的1000 s-1处出现了分叉，这与牙膏在该处的高剪切力作用下出现性状的明显变化有关。

我们对比100 s-1以及1000 s-1两处样品
在实验台上的光学照片如下：
由图片的对比照片可知，在剪切速率为1000 s -1下牙膏已经发泡，粘度也明显降低，符合人体口腔对牙膏在口腔内涂刷后迅速铺展的需求。

不光是以上提到的日常生活案例，对于工业生产中的其他方面，比如生物制剂、高分子材料、
石油化工、
陶瓷行业、电池行业、公路沥青等等，都是与流变学紧密相关的研究领域。

而对于每一类样品的性能对比，我们都可以采用相关流变测量技术去研究、去剖析，看哪一种才是更利于最终实际应用的好产品！
图3牙膏样品在100 s -1及1000 s -1剪切速率下性状对比。