Frank聊流變-萬物可測之：流動

材料是個復(fù)雜的東西，庖丁解牛，也得割下去第一刀。任何物質(zhì)或者材料，只要你可以把它變成軟物質(zhì)，利用流變儀都可以測量，所謂萬物可測。那么流變學(xué)測試，第一刀從哪里下手呢？先了解幾個基本概念。

流動的測量

4.1 流動的意義

吃個飯，咀嚼吞咽，蠕動，消化吸收，排泄，要靠流動。血液輸送營養(yǎng)和氧氣，修補(bǔ)細(xì)胞和器官，靠流動。

原油開采，高壓裂解，原油輸送，煉化，形成汽油，支撐汽車，船舶，航空器自由運(yùn)轉(zhuǎn)，靠流動。

地殼的漂移，高山的隆起，海洋的形成，火山的噴發(fā)，珠穆朗瑪峰的增長，上海灘的形成，靠流動。

上升到哲學(xué)高度，流動是物質(zhì)存在的形式。所謂萬物皆流，這是流變學(xué)的思維模式。流變學(xué)的重要任務(wù)之一，就是讓流動變得可以測量。

4.2 流動的測量

很多客戶，在糾結(jié)一個非常重要的定義，黏度。特別說明，是黏度，不是粘度。黏，形象的表達(dá)了流體的連續(xù)性，黏合性，以及測量的本質(zhì)，阻力。黏度，是流動的阻力度量，可以表征流動的難易程度。流動是絕對的，只要把物質(zhì)放在一個可觀測的時間尺度上。所以，黏度的問題是個力學(xué)問題；采取合理的條件，選擇合適的力學(xué)測量傳感器和一個時間度量傳感器，力的大小就可以正確、準(zhǔn)確的測量。

4.2.1 黏度以及流動曲線

不需要繼續(xù)糾結(jié)是選擇黏度計還是流變儀來測量黏度。如果預(yù)算充足，不要猶豫，選擇流變儀絕對不會出錯。但是，如果你是簡單流體，黏度計也是很好的選擇。但我們在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)的過程中，軟物質(zhì)是復(fù)雜的流體，是一個難以精確描述的黑箱。所以，建議選擇流變儀來測試，為未來的研究留下空間。

黏度的表達(dá)有多種，相對黏度，絕對黏度，增比黏度，表觀黏度，讓人眼花繚亂，無所適從。我的建議是無論何種粘度名稱，都是適用于不同的場景或者儀器或者物料。簡單了解一下，就可以明白，包括牛頓和非牛頓。公式如下：

從來不要依賴單一的黏度值解決問題，雖然這個方法簡單、經(jīng)濟(jì)，容易理解，但是往往會表征失效。遇到的實際問題，黏度的單一表達(dá)就會失效。管中窺豹，只見一斑。分析不全面，就會產(chǎn)生錯誤。所以，把黏度的點形成連續(xù)的線，用黏度曲線（下圖）和流動曲線來表達(dá)，這是表達(dá)流動的最基礎(chǔ)的兩條線。

1 idealviscous (Newtonian)（牛頓流體）

      2shear-thinning (pseudoplastic)（非牛頓流體：剪切稀釋型）

3 shear-thickening (dilatant)（非牛頓流體：膨脹型）

我這里建議大家更多的關(guān)注流動曲線，而不是黏度曲線。只有應(yīng)力數(shù)據(jù)合理了，正確了，黏度數(shù)據(jù)才合理，正確。因為要考慮測試的邊界條件限制：

剪切速率合理嗎？

物質(zhì)有揮發(fā)或者沉淀嗎？

測試的時候物料樣品有甩出嗎？

彈性的影響大嗎？比如下圖：高剪切下，受到樣品性品彈性影響出現(xiàn)Weissenberg 效應(yīng)（爬桿效應(yīng)）。這是測試過程中要避免的，所以，首要關(guān)注的是流動曲線，也就是應(yīng)力曲線。

不要以為這些曲線的測試是一個簡單的工作，如果需要獲得穩(wěn)定和重復(fù)性高的數(shù)據(jù)，對于流變測試的條件還要進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化的，這需要經(jīng)驗和很好的流變學(xué)理解。這在后面測試條件的優(yōu)化中會進(jìn)行討論。

通過這個初步的測試，可以獲?。?/span>

1、流體的基本信息，牛頓流體還是非牛頓流體，剪切變稀還是變稠，測試的轉(zhuǎn)子選擇，速率選擇等是否合適。

2、為下一步的測試提供經(jīng)驗和數(shù)據(jù)儲備。

3、黏度與剪切速率的對應(yīng)關(guān)系，可以加深與工業(yè)應(yīng)用的關(guān)聯(lián)和理解，見下圖：

4.2.2 觸變性測量

首先強(qiáng)調(diào)，觸變性是個相對測量，而且影響測試結(jié)果的因素有很多，沒有很好的流變學(xué)素養(yǎng)想把觸變性測試好，是一件困難的事情。理解下概念。

【觸變性流體】對于假塑性液體，剪切增強(qiáng)引起的變稀作用的主要機(jī)理為：顆粒或分子順著流動方向取向或排列的作用超過了分子布朗運(yùn)動所產(chǎn)生的隨機(jī)化作用。這種取向作用如果再消失，則稱觸變性。對于許多分散體系，顆粒/分子間相互作用，鍵合產(chǎn)生三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通常稱為“凝膠”。當(dāng)體系受到長時間剪切時這些鍵易于破裂。此時網(wǎng)絡(luò)解體，體系粘度隨剪切時間降低，直到漸漸接近給定剪切速率下可能的zui低值為止。這個zui低粘度值稱為分散體系的“溶膠”狀態(tài)。

觸變性流體的特性在于：只要讓物料靜置足夠的時間，該流體就能夠重建凝膠結(jié)構(gòu)。凝膠-溶膠、溶膠-凝膠這種變化。

觸變性充分依賴于時間尺度。

【反觸變性流體】:又稱流凝性液體，其特征是粘度隨著剪切持續(xù)上升。當(dāng)靜止后又會恢復(fù)到原來的低粘度水平。流凝性和觸變性是兩種相反的流動特性。

字?jǐn)?shù)有點多，略顯復(fù)雜。一句話，流體結(jié)構(gòu)破壞之后的回復(fù)能力、回復(fù)特性和回復(fù)快慢。理解觸變性需要一個過程，觸變性與實際工程、工業(yè)生產(chǎn)以及我們的生活息息相關(guān)，密不可分。

A：觸變現(xiàn)象

我們天天寫字，用到油墨。不管是中性筆還是圓珠筆，解決不好觸變性問題，導(dǎo)致兩個問題：一是書寫流利性不夠，二就是漏墨。為什么日本的水性筆行銷世界廣受歡迎，一個解決了筆芯的珠子加工精度問題，另外一個油墨的觸變性得以穩(wěn)定的、科學(xué)的進(jìn)行測量。

涂料刷涂，如果沒有解決流平和流掛問題，你生產(chǎn)的油漆涂料就會給工人師傅帶來困擾，結(jié)果就是你的產(chǎn)品失去市場。

鋰電池正度及材料的涂布工藝，觸變性解決不好，工藝參數(shù)調(diào)整不好，直接的結(jié)果就是生產(chǎn)的電芯在纏繞的過程中鼓包了，甚至嘎嘣斷掉了。損失的，有可能是一鍋幾十萬成本的漿料。

電子膠黏劑在點膠工藝中，觸變性能不合適，直接的結(jié)果是既浪費膠黏劑，又帶來產(chǎn)品瑕疵，產(chǎn)生過多毛刺，接下來要修邊，最終影響生產(chǎn)效率。

這樣的例子還有很多。那么觸變性能的大小，好壞，有沒有標(biāo)準(zhǔn)呢？答案是沒有，要實事求是，依據(jù)應(yīng)用實際來進(jìn)行分析。

B、測量方法錐

(1) 時間曲線 –結(jié)構(gòu)恢復(fù)三段式

在恒定的剪切速率下觀察樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞,以動態(tài)振蕩測試或時間方式, 在等待不同時間之后觀察和確定該樣品結(jié)構(gòu)的重建. 即時間曲線模式和三段測量模式(動態(tài)振蕩+ 穩(wěn)態(tài)剪切+ 動態(tài)振蕩).

(2) 流動曲線-觸變環(huán)

在恒定溫度下, 逐漸升高剪切速率到某一設(shè)定點, 然后再降低剪切速率到原點. 通過流動曲線的滯后環(huán)面積測量樣品的觸變性, 即觸變環(huán)模式。

強(qiáng)調(diào)一下，同樣的物料，用這兩種方法測試出來的結(jié)果具有一致性，但是側(cè)重點各有不同。三段式表達(dá)的是回復(fù)時間的快慢，直觀表達(dá)與噴涂，刷涂，滾涂等相關(guān)的工藝參數(shù)。觸變環(huán)是回復(fù)能力的大小。依據(jù)個人經(jīng)驗，我推薦采用三段式的方式。這種方式為解決一些高填料樣品或者粘彈性樣品提供了較為理想的測試方法。

C：觸變測試的注意事項，此處敲黑板。

（1）剪切歷史。觸變性嚴(yán)重依賴于時間，是材料的依時性特征表達(dá)。在測試之前，應(yīng)該努力避免對物料初始結(jié)構(gòu)狀態(tài)的改變，避免預(yù)剪切。比如：

圓筒轉(zhuǎn)子進(jìn)入物料對物料初始結(jié)構(gòu)的影響，測試平板或者錐板對樣品的擠壓；

攪拌或者混合；

加樣方式：擠出，注射；

自動升降步進(jìn)電機(jī)速度控制與法向力控制；

（2）物料本身結(jié)構(gòu)和狀態(tài)

溶劑的揮發(fā)與測試溫度之間的協(xié)調(diào)；

均相結(jié)構(gòu)與懸浮結(jié)構(gòu)甚至含有顆粒等沉降物，體系盡可能做到均相；

（3）測試條件的優(yōu)化

尋找適合于物料合適的觸變性測試條件，是一個復(fù)雜的工程。不同的物料，粘度不同，結(jié)合實際工程工藝，提高測試的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。以下都是測試的經(jīng)驗。

對于高填料或者錐板夾具，三段式要采用動態(tài)震蕩模式；

圓筒轉(zhuǎn)子測試時候，觸變環(huán)或者三段式測試，破壞段的速率選擇要充分考慮慣量的影響，避免速度過沖等不合理數(shù)據(jù)；

在開始測試之前，給足時間讓yueqian物料盡可能回復(fù)到原始狀態(tài)，避免非正常的剪切影響；

以上這些如果加以理解并多做操練，觸變性的測試可以得到預(yù)期的測試效果。

4.2.3 屈服應(yīng)力

定義：克服彈性行為開始流動需要最小的力，叫做屈服應(yīng)力。屈服應(yīng)力具有特征指紋的特點，是材料的特征屬性。在整個流變學(xué)研究中，尤其是小振幅或者低剪切測試中，屈服應(yīng)力是一個非常關(guān)鍵的參量。

A：測量方法

（1）應(yīng)力增長模式

設(shè)定恒定的剪切速率,測得最大剪切應(yīng)力 對應(yīng)于時間t (線性坐標(biāo))。

方法看似簡單，但是想把測試做好不太容易。剪切速率的選擇很重要，另外，設(shè)備的靈敏度也要滿足測試要求。針對屈服應(yīng)力小的物料或者比較稀的物料，建議選擇空氣軸承的流變儀。這類方法對于水泥砂漿、金屬粉末等非常合適。

（2）控制應(yīng)力(CS)掃描模式:

連續(xù)增大的剪切應(yīng)力施加到被測樣品上, 觀察產(chǎn)生的形變, 曲線斜率變化兩個切線的交點對應(yīng)的應(yīng)力(雙對數(shù)坐標(biāo)形變- 應(yīng)力)。

這個方法很直觀，容易理解。隨著應(yīng)力的增長，形變會產(chǎn)生一個突躍，也就是從不流動到流動的拐點區(qū)域。在拐點的左側(cè)，很直觀的表達(dá)了線性黏彈區(qū)，零剪切粘度等概念，對于流變學(xué)融會貫通的理解，提供了一個簡單易懂的圖形數(shù)據(jù)模式。

（3）振蕩(OSC)應(yīng)力掃描模式:

? 以某一頻率的正弦波施加到被測樣品上, 應(yīng)力幅度逐漸增加,曲線斜率變化兩個切線的交點對應(yīng)的應(yīng)力(雙對數(shù)坐標(biāo)形變- 應(yīng)力)。

這個設(shè)備對流變儀設(shè)備是有要求的，可以進(jìn)行震蕩模式的測試。本人推薦采用該模式來測試屈服應(yīng)力，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性高，容易掌握。該方法特別適合于高分子聚合物類的樣品，或者有內(nèi)聚強(qiáng)度的樣品，或者具有粘彈性的樣品。

屈服應(yīng)力測試的方法有很多種，不一一列舉。以上三種方法比較簡單易行，可以解決大部分實際工程問題。

B：屈服應(yīng)力的測試討論

（1）不同測試方法的差異

如果去看文獻(xiàn)，有不同的屈服應(yīng)力。而且不同的行業(yè)，不同的樣品，都采用不同的測試方法。需要特別強(qiáng)調(diào)，雖然屈服應(yīng)力是材料的特征屬性，但是不同的方法測試的數(shù)值都不一樣。所以，在測試的時候，一定要用一樣的測試條件和同樣的判定標(biāo)準(zhǔn)去進(jìn)行測試。

（2）測試屈服應(yīng)力的意義

屈服應(yīng)力可以表征材料的穩(wěn)定性，貨架期。結(jié)合零剪切粘度，stroke方程，可以表征分散體在懸浮體系的材料穩(wěn)定性。

屈服應(yīng)力可以做一致性評價。對于配方和生產(chǎn)工藝批間差可以進(jìn)行控制表征。

屈服應(yīng)力可以表征材料的施工特性，擠出的難易程度，形狀保持等與工程施工相關(guān)的工藝問題。

對于化妝品來說，屈服應(yīng)力可以表達(dá)涂抹在皮膚上的觸感和柔滑特性。對于食品果醬、花生醬等產(chǎn)品來說，可以表達(dá)使用的便利性。同時，這一數(shù)值是很好的質(zhì)量控制關(guān)鍵點數(shù)據(jù)。

屈服應(yīng)力測試，可以解決漿料類材料運(yùn)輸，泵送的問題。比如水泥砂漿，原油輸送，雞肉漿的罐間轉(zhuǎn)移等。

4.3 流動測試小結(jié)

黏度以及流動曲線，觸變性和屈服應(yīng)力，囊括了流動測試的全部內(nèi)容。作為一款流變儀，必須具備三種模式，控制速率，控制形變和控制應(yīng)力。三種模式缺一不可，否則就是一臺黏度計。

1、屈服應(yīng)力是物料的特征屬性，可以表征物料的差異。

2、屈服應(yīng)力可以解決穩(wěn)定性、泵送擠出工藝等實際工程問題。

3、建議采用振蕩(OSC)應(yīng)力掃描模式進(jìn)行屈服應(yīng)力測試。

4、三段式和觸變環(huán)都可以表達(dá)觸變性，但不同工藝，不同物料，應(yīng)該有所區(qū)別。

一句話，完整理解并掌握流動測試的基本概念和方法，流變學(xué)的測試只是邁出了第一步，接下來的應(yīng)變測試更為抽象和復(fù)雜。