（材料学专业论文）纤维亚浓悬浮液的流变性能.pdf

纤维亚浓悬浮液的流变性能 材料学专业 研究生苏伟指导教师吴大诫 纤维悬浮流是含有较小的细长圆柱状固态的纤维粒子包含在液体或气体中 而形成的混合流，在化工、纺织、复合材料、医药机械、造纸、环保等领域都 有广泛的应用，纤维悬浮流的研究还涉及多个学科分支，具有重要的学术研究 价值。本论文对较大长径比下的亚浓相纤维悬浮体系的流变性质做了详细研究， 并对比和分析了纤维硅油悬浮体系与纳米炭黑硅油悬浮体系的流变性能。 论文首先利用r v 一2 型共轴圆筒旋转粘度仪研究了纤维硅油体系的流变 行为。将尼龙长丝( 1 1 1 2 t e x ) 切成长径比分别为4 0 、1 0 0 、2 0 0 、4 0 0 的短纤维， 并配制成质量浓度为i m g m l 一6 m g m l 的悬浮液，悬浮液均处于亚浓相。测定了 不同温度和不同剪切速率下各体系的粘度。硅油是一种性能稳定的牛顿流体， 添加了纤维以后，悬浮体系表现出定的非牛顿性。实验表明，长径比较大的 纤维亚浓悬浮体系，其粘度在低切变速率下的变化较明显。体系粘度在低剪切 速率时随剪切速率的增加而增加，中等剪切速率水平时出现剪切变稀，最后在 高剪切速率时逐步达到稳定值。长径比较小的纤维悬浮体系粘度随剪切速率的 增加变化不是很明显。体系粘度随纤维浓度的增加而增加，在低切变速率时表 现最明显。同等纤维浓度下，纤维的长径比越大，体系粘度增加越多。体系粘 度随温度的增加而降低，但不同浓度的粘流活化能变化不大。 研究了纤维p v a 水溶液悬浮亚浓体系的流变性能。制各了浓度为1 0 的 p v a ( 聚乙烯醇) 水溶液，并进行了流变测量实验。纤维p v a 水溶液是非牛顿 体系，体系粘度对剪切速率的依赖性强，符合幂律模型：叩= 七矿。在2 0 和3 0 时表现出很明显的剪切变稀行为，粘度随剪切速率的增加下降很快，4 0 c 以上 和高剪切速率时体系粘度才趋于稳定，接近牛顿流体的性质。体系粘度随纤维 质量浓度的增高而增加，小长径比的纤维悬浮体系对浓度依赖性更强，大长径 比的纤维体系由于更容易出现剪切变稀，使得高剪切速率时纤维质量浓度高的 体系粘度反而低于纤维质量浓度低的体系的粘度。悬浮体系的粘度随温度的变 化符合a r r h e n i u s 方程，随温度升高，粘度以指数形式降低。纤维质量浓度高的 体系粘流活化能较大，但由于体系均为亚浓相，总体变化并不大。 最后一章研究了纳米流体一炭黑硅油悬浮体系的流变性能，并与纤维悬浮 体系的流变行为做了比较。在炭黑质量浓度不高的情况下，炭黑硅油悬浮体系 对剪切速率的依赖性不强，表现为准牛顿流体的性质。这是因为炭黑粒子粒径 较小，粒子与流体的作用力较小，粒子间距较大，粒子间相互作用的机会和时 间比较小( 少) ，对流体粘度贡献小，故同等浓度下，炭黑悬浮液的粘度比纤维悬 浮液的粘度小，也较稳定。炭黑悬浮体系对温度的敏感性更强，其粘流活化能 较同等条件下的纤维悬浮体系略大。 关键词：亚浓相纤维悬浮体系细长体理论流变性能纳米流体 t h er h e o l o g y c a lp r o p e r t i e so f s e m i d i l u t ef i b e rs u s p e n s i o n m a t e r i a l o g y g r a d u a t e ：s uw e i s u p e r v i s o r ：w ud a c h e n g f i b e rs u s p e n s i o n sr e f e rt ot h em i x e df l o w sc o n t a i n i n gs u s p e n d i n gf i b e rp a r t i c l e so fs l e n d e r c y l i n d r i c a lb o d yi nf l u i d so ra i r f l o w s t h e ya r ew i d e l ya p p e a r e di nn a t u r ea n du s e di nm a n yf i e l d s o fi z t d u s t r ys u c h 笛c h e m i c a le n g i n e e r i n g , t e x t i l e ，p a p e rm a k i n g ，e n v i r o n m e n tp r o t e c t i n ga n ds 0 o n r e s e a r c h e so ff i b e rs u s p e n s i o n si n v o l v em a n yb r a n c h e so fs u b j e c t sa n dh a v eg r e a ta c a d e m i c v a l u e s t h i st h e s i ss t u d i e dt h er b e o l o g i c a lp r o p e r t i e so fas e m i - d i l u t ef i b e rs u s p e n s i o nw i t hh i 。g i a s p e c tr a t i o si nc o m p a r i s o nw i t ha n o t h e rk i n do f s u s p e n s i o nw i t hn a n o p a r t i c l e s ( c a r b o nb l a c k ) ；f i r s tr h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so ff i b e r s i l i c o n eo i ls u s p e n s i o nw e r em e a s u r e db yac o a x i a l g e o m e l r y ( r v - i i ) t h e f i b e r su s e d i n t h es u s p e n s i o n w e r e m a d eb yc u t t i n g n y l o n f i l a m e n t s ( 1 1 x 1 2 一r e x ) a n dt h er e s u l t e ds h o r tf i b e r sh a dd i f f e r e n ta s p e c tr a t i o s ：4 0 ，1 0 0 ，2 0 0a n d4 0 0 t h e f i b e r s i l i c o n eo i ls u s p e n s i o nw a sp r e p a r e di nd i f f e r e n tm a s sc o n c e n t r a t i o n so f1 - 6m g r n l ，w h i c h w e i nt h es e m i - d i l u t er e g i o n i t sd y n a m i cv i s c o s i t yw a sm e a s u r e da td i f f e r e n ts h e a rr a t e sa n d t e m p e r a t u r e s s i l i c o n eo i l i san e w t o n i a nf l u i d , w h i c hp e r f o r m e dn o n n e w t o n i a nc h a r a c t e ra t t e r a d d i n gf i b e rt o ，i t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dw h e nt h ea s p e c tr a t i ow a sh i g ht h ev i s c o s i t y o ft h es u s p e n s i o nw a so b v i o u s l yc h a n g e da tl o wr a t eo fs h e a r t h ev a l u eo fv i s c o s i t yw a s i n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gt h es h e a rr a t e a tt h el o w e rs h e a rl e v e l ，a n dt h e na p p e a r e ds h e a rt h i n n i n g a tt h em i d d l es h e a rl e v e l ，w h i l ea tt h eh i g h e rs h e a rl e v e lt h es u s p e n s i o nv i s c o s i t yw a sr e a c h e da ta s t e a d y ，s t a t e t h ev i s c o s i t yo fs u s p e n s i o nw i t hf i b e r so ft h el o w e ra s p e c tr a t i ow a sc h a n g e d s i i g h t l yw i t hi n c r e a s i n gs h e a rl e v e l h i g h e rc o n c e n t r a t i o nl e dt oah i g h e rv i s c o s i t y , e s p e c i a l l y 砒 t h er e g i o no fl o w e rr a t eo fs h e a r a tt h es a m ef i b e rc o n c e n t r a t i o n ，h i g h e ra s p e c tr a t i oa n dl o w e r t e m p e r a t u r ec o u l dl e a dt oah i g h e rv i s c o s i t y t h et h e o l o g i c a lb e h a v i o ro f t h ef i b e r p o l y m e rs o l u t i o ns u s p e n s i o nw a ss t u d i e d as o l u t i o no f p v a ( p o l y u i n y la l c o h 0 1 ) a tt h em a s sc o n c e n t r a t i o no f1 0 w m a d ef o rf u r t h e rm e a s u 姗明t f i b e r p v as o l u t i o ns u s p e n s i o ni san o n n e w t o n i a nf l u i da n di t s v i s c o s i t yh a das t r o n g i d e p e n d e n c eo nt h er a t eo fs h e a ra c c o r d i n gt ot h ep o w e rl a wm o d e l t h es u s p e n s i o ns h o w e d o b v i o u s l ys h e a rt h i n n i n ga tl o w e rt h a n4 0 c ，a n di t sv i s c o s i t yd e c r e a s e dr a p i d l ya st h es h e a rr a t e i n c r e a s i n g t h es y s t e mw a ss i m i l a rt on e w t o n i a nf l u i dw h e nt h er a t eo fs h e a rw a gh i g he n o u g h a n dt h et e m p e r a t u r ew a sa b o v e4 0 c h i l g hf i b e rc o n c e n t r a t i o ni ns u s p e n s i o ni n c r e a s e di t s v i s c o s i t y f o rs u s p e n s i o nw i t hf i b e r so fl o w e ra s p e c tr a t i ot h ev i s c o s i t yd e p e n d e dm a i n l yo nt h e c o n c e n t r a t i o n ，w h i l ef o rs u s p e n s i o nw i t hf i b e r so fh i g h e ra s p e c tr a t i ot h es h e a rt h i n n i n gw a gm o r e f r e q u e n t l y t h i sl e a d st ot h a tt h ev i s c o s i t yf o rh i g h e rc o n c e n t r a t i o ns u s p e n s i o nw i t hh i g h e ra s p e c t r a t i oe v e nl o w e rt h a tf o rl o w e rc o n c e n t r a t i o ns u s p e n s i o nw i t hl o w e ra s p e c tr a t i oa tt h eh i i g i ls h e a r r e g i o n t h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo ft h ev i s c o s i t yw a sc h a r a c t e r i z e db yt h ea c t i v a t i o ne n e r g y o fv i s c o u sf l o w , w h i c hw a sd e r i v e df r o ma r r h e n i u se q u a t i o n t h ea c t i v a t i o ne n e r g yo fv i s c o u s f l o 、：vb e c a m eh i g h e ra th ig l e rc o n c e n t r a t i o n ，b u ti ti sn o tc h a n g e do b v i o u s l yi nt h i ss e m i d i l u t t c o n c e n t r a t i o nr e g i o n i t h er b e o l o g i e a l p r o p e a i e so fan a n o f l u i d 一- c a r b o nb l a c k s i l i c o n eo i ls u s p e n s i o nw 喇7 s t u d 如di nt h el a s i c h a p t e r t h es u s p e n s i o no fc a r b o nb l a c ka c t e da san e w t o n i a nf l u i d a n d d e p e n d e ds l i g h t l yo nt h es h e a rr a t ew h e nt h ec o n c e n 仃a t i o nw a sn o th i g h b e c a u s ei t sp a r t i c l ew 女 m u c hs m a l l e rt h a nt h a to ft h ef i b e rs u s p e n s i o n t h ed i s t a n c eb e t w e e np a r t i c l e sw a sm u c hl a r g e r 。 t i l 卸t h ed i a m e t e ro f t h ec a r b o nb l a c k , s ot h ei n t e r a c t i o nb e t w e e np a r t i c l e sw a ss c a l e a tt h es a m e m a s sc o n c e n t r a t i o n ，t h ev i s e o s i t yo fc a r b o nb l a c ks u s p e n s i o nw a sl o w e rt h a nt h a to ft h e f i b e r s u s p e n s i o n ，a n dt h es y s t e mw a sm o r es t a b l e c a r b o nb l a c ks u s p e n s i o nw a sm o r es e n s i t i v et f i t e m p a r e t u r e ，a n di t sa c t i v a t i o ne n e r g yo f v i s c o u sf l o ww a sh i g h e rt h a nt h a to f t h ef i b e rs u s p e n s i o i l a t ；a m ec o n d i t i o n s 。 k e yw o r d s ：s e m i - d i l u t e ，f i b e rs u p e n s i o n , t h e o l o g i c a lp r o p e r i e s ，s l e n d e rb o d yt h e o r y , n 锄o n u i d s v 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得四川i 大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果 归四j i l 大学所有，特此声明。 四川大学硕士生：苏伟 2 0 0 7 午5 月 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1引言 流体流变学就是研究流体受力与变形( 流动) 的科学。从物质状态来讲，流变 学的研究对象包括固体、液体和悬浮体，因此流变学又可分为固体流变学、液 体流变学和悬浮体流变学。 悬浮体属于流固两相流体，流固两相流体通常是指一种运动的液体或气体 中含有某种固体粒子而形成的混合物流体。若将流体相认定为牛顿流体，例如 空气、水或者其它流体，那么这些流体不仅遵守物质守恒定律和牛顿运动定律， 还将满足牛顿流体的本构方程。固体粒子方面，粒子的物理特征主要取决于粒 子的尺度和形状，相对而言，尺度有大小之分，形状可以粗略地分为球状和非 球状。对于球状粒子的研究比较多，理论也较成熟，但严格的说粒子不都是球 状的，只有在一定假设条件下才可近似认为是球状。像纤维这种细长粒子在研 究时就不能当作球状粒子处理。本论文就对固态纤维包含在流体中而形成的混 合物流体一纤维悬浮流的流变性能进行研究。 纤维粒子就是一类极有代表性的非球状粒子。纤维悬浮流则是含有较小的 细长圆柱状固态的纤维粒子包含在液体或气体中而形成的混合物。在流动中， 流体与纤维相互影响，同时纤维之间也互相作用。纤维的存在及运动影响了流 体的性质，而纤维在流体的作用下，也在不断的移动和转动，从而构成了一个 非常复杂的动力系统。纤维悬浮流在非球形粒子两相流的研究具有一定的理论 意义，涉及到多相流、非牛顿流体力学、统计力学、湍流、多体动力学等理论 研究中的诸多难点，一直为国内外的研究热剧- - 孔。 同时，纤维悬浮流的应用也已经渗透到了工业生产的许多领域中，在化工、 纺织、复合材料、医药机械、造纸、环保等领域都有广泛的应用，并扮演着重 要的角色。例如，在化工中，聚合物是最常见的基质，而纤维固状物代表了一 大类聚合物，纤维在流体作用下的运动与取向、纤维对流体的作用等都决定了 聚合物的特性；在气流纺纱中，纤维输送的均匀性、涡流的稳定性、纤维进入 纺纱管的速度与涡流速度的相互匹配程度对于纱线的匀度、捻度、张力等品质 至关重要：在材料中，短纤维的复合材料的成型和加工与纤维悬浮流的动力学 特性密切相关，加工过程中由流动诱导的纤维取向决定了成品的质量【6 】；医学 方面：1 研究纤维在肺中的运动，可以更好地了解相关职业病的发病原因及加强 第一章绪论 相应的保护措施；造纸方面纤维悬浮液中纤维的浓度和取向分布直接决定成形 后的纸张的强度和质地。纸浆的流动特性直接影响造纸工艺 _ 7 】：在环境保护方 面，纤维悬浮流的性质将有助于了解污染物的扩散、沉积、分布等对环境的影 响；等等。诸如此类的应用颇为广泛。为了更大地发挥纤维的作用需要研究 纤维悬浮流的运动特征以及纤维的运动和取向，这样才有可能提供最佳的条件， 设计和控制生产进程，使成品的属性朝着期望的方向发展。所以进行纤维悬浮 流的研究也具有重要的实际意义。 1 2 纤维悬浮体系概述 1 2 1 纤维悬浮体系的描述 欧拉场的描述有利于用连续介质的观点考虑纤维悬浮体系的宏观属性。根 据连续介质的理论，将纤维悬浮流视作统一的连续体系。这个体系有两个基本 的前提： i ) 悬浮流运动的尺度远大于粒子之间的平均距离，因此悬浮流被认为是准均 匀的流体，这使在控制体内求平均成为可能； 2 ) 以流体与粒子相对速度为特征速度的粒子r e y n o l d s 数很小，此时悬浮流 是准牛顿流体，即应力与速度梯度成线性关系，当然这种线性关系不再是牛顿 流体的形式。 作为统一考虑的连续体系，粒子的浓度是悬浮流重要的概念。纤维悬浮液 浓度由币= 舰r d 4 表示，式中门单位体积内的纤维个数，是纤维长度，d 是纤 维的直径，纤维长径比a = l d 。根据这些参数，可以划分为不同的浓度范围： 1 ) 稀相，n l 3 1 且碰2 水l ，此时粒子间距离拉近，但直接碰撞的概率不 大，纤维的相互作用主要是靠长程的动力作用； 3 ) 浓相，满足n l 2 d l ，九础2 d 1 4 i ，此时粒子间的直接碰撞将成为主导因素。 1 2 2 细长体理论和假设 所谓细长体是指长度远比其截面尺寸大的长直物体，其截面形状可以是任 意的。“细长体理论”最先是由b u r g e r s 提出来的，1 9 6 0 年，b r o e r s m a 对b t g g e r s 四川大学硕k 学何沦文 提出的基本理论形式做了些小改动，c o x 和b a t c h e l o r 等人将其发展起来，此 后该理论逐步得到完善。2 0 世纪7 0 年代初，b a t c h e l o r 1 0 1c o x 1 1 , 1 2 等在定常 s t o k e s 流和不计粒子布朗运动的前提下，利用渐进匹配和多级展开的方法，发 展了细长体理论，并用该理论来计算细长体在流场中所受的粘性力和力矩以及 计算纤维远距离的相互影响。细长体理论减少了计算量，为建立纤维悬浮流的 本构方程打下了基础，并把细长体理论的应用扩大到任意形状的截面，这便形 成了迄今为止仍在广泛应用的细长体理论。 细长体理论建立在不可压缩牛顿流体的s t o k e s 流动基础之上，并采用如下 假设：纤维假设为刚性的柱状粒子，流场是定常或准定常的，即由于流体的非 定常流动而产生的力可以忽略不计。满足细长体的前提是粒子直径与长度之比 非常小，即d l l 。其基本思想是：细长粒子对流场产生的扰动近似等同于沿 粒子轴线分布的一串点力所起的作用，点力的强度由粒子表面的无滑移条件决 定。点力就是在某一点上作用于流体的力，而细长体粒子每一单位长度就相当 于一个点力。 。细长体理论使得在粒子r e y n o l d s 数很小以及可以忽略流体惯性项的前提 下，对纤维运动直接计算成为可能。因此，单根纤维在牛顿流体中的运动状况 及其对周围流体的影响就成了研究的基本问题之一。 但细长体理论本身也存在一定的缺陷，例如：纤维无限长的假设，但细长 体的端部效应始终无法给出较好的近似，特别是柱状粒子的端部效应比椭球形 的粒子更大。其次，极低r e n o y l d 数的假设使得细长体理论不适用于纤维尾流 影响较大以及流体惯性影响不能忽略的情况。再次，难以准确描述纤维间的影 响。 若要将纤维悬浮液视为一种单一的连续介质来研究，建立其合适的本构方 程是最关键的。而以后的纤维悬浮流的本构关系都是在j e 廊1 3 】的椭球状粒子 悬浮运动理论和细长体理论的基础上发展起来的。 纤维对流体的影响体现在悬浮流的本构关系上： 盯= 一p l + 2 p e + 盯， ( 1 1 ) 式中右边第一、二项是牛顿流体流动的应力，第三项体现纤维的影响。 第一。章绪论 1 2 3 纤维粒子的相互作用 纤维间的相互作用对悬浮流的微观结构乃至宏观结构有重要影响。纤维粒 子间的相互作用可分为长距离作用和短距离作用两类。长距离作用即长程动力一 相互作用，粒子之间通过流体介质间接作用，且不会随粒子之间距离的增加而 很快衰减；短距离作用只有在粒子之间距离很近甚至直接接触时才显著体现， 如接触力和润滑力。 稀相悬浮流理论中，纤维远程水动力学相互作用的长度范围是扛，n l 3 l ，即忽略纤维的端 部效应； 2 ) 纤维的体积分数远小于l 时，流场中纤维和纤维间的相互影响及纤维和 流场边界的作用可以忽略； 3 ) 纤维的长度远小于流场的特征尺度；悬浮流运动的尺度远大于粒子之间 的平均距离，悬浮流被认为是准均匀的流场： 4 ) 在定常流中，粒子主要受到粘性力，不考虑b a s s e t 力和附加质量力： 5 ) 忽略纤维的惯性力和体积力，即粒子中心点跟随流体质点移动； 6 ) 不考虑b r o w n 效应。 2 2 本论文悬浮体系所处流场 图2 1 是t a y l o r - c o u e t t e 剪切流场示意图，设内筒半径r t 外筒半径r 2 ，其中 内筒以等角速度q 旋转，并且在流体中的高度为h ，假设流体在转筒间运动时， 内、外圆筒同轴线，且有足够长度并且流体沿简壁无滑动。在柱坐标系( r ，铊) 下，流动区域为r l r r 2 ，：毋旬，- o o z o o 所围成的空间。 图2 it a y l o r - c o u e t t e 剪切流场示意图 1 3 第二章纤维悬7 甲澉流变件能理沱 在柱坐标系( ，臼 z ) 中 驴“= d 粘性不可压缩流体的连续性和动量方程为 p ( 知v “) = 即丹r 式中p 为流体的密度，u = u ( u ， 向同性压力，r 为应力张量。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) v ，w j 为柱坐标下，0 ，z 向的速度矢量，p 为各 2 3 纤维的取向分布 一根刚性、轴对称纤维可以用一矢量p 刻画，在球坐标系下，它与两个角 度0 ，l f ，有关。如图2 2 所示： 图2 2 剪切流场中的纤维粒子的球坐标 p 6 l c o s 庐1 p 可以表示为：p = is i n o s i ni ( 2 3 ) l c o s j 大量粒子的取向可用取向分布函数“，| p ) 来描述，它表示在某一时刻。在 位置r 处、在方向p 上存在粒子的可能性，即概率。这样，在如范围内，存在 粒子的数目就可以写为以，p ) 如，分布函数是从统计的角度描述粒子的取向状 态。在球坐标系下： l f ，i ( r , p ) d p = p ( o s o a _ o + d o ，妒9 鲂d 妒) ：以拶，6 p ) s i n o d o d 妒 ( 2 - 4 ) 取向分布函数完整地描述了纤维的取向状态，但统计计算过于繁杂，并且 对于具体的条件，纤维之间的相互作用及其对流场的影响不可忽略，通常要考 虑纤维纤维、纤维一流场以及纤维一壁面的作用，这就更增加了求解问题的 4 阴川大学硕l 。学忙论文 难度。 2 3 纤维悬浮体系的粘度 早期的理论研究局限于稀( 疗3 l 且n l 2 d 1 ) 。 制备悬浮液前先将纤维浸泡在硅油中，通过机械搅拌达到均一的混合液。选驭 适当的转子进行流变测量。实验温度为3 0 。c - - 7 0 。c 。 筇：章 f 维，砰油恳f 于浊的流变什能 3 1 4 数据处理 根据测鼍所得读数，应用下列方程计算流变数据。体系的剪切应力、翦切 速率以及体系的粘度可分别由式3 - i ，3 - 2 ，3 - 3 计算得到： 剪切应力t = z x( 3 - 1 ) 蓟切速；棼y k = y v 5 0 ( 3 - 2 ) 粘度q = 1 0 0 。r y k ( 3 - 3 ) 武中r 为剪切应力工为仪器的读数，z 为圆筒常数，取决于圆筒系统的尺、j 。和 弹簧测力计的弹簧常数；n 为经过修正的剪切速率，y 为排档表中的剪切速率值， v 为f 乜源频；棼，h 为体系粘度，单位c p 。 3 2 结果与讨论 3 2l 纤维的形态 罔3 2 为所川纤维的手j 描t 乜镜照片根据s e m 照片u f 得纤维的f 径约为 2 5 9 m 。 图3 2 纤维的s e m 照片 322 悬浮体系的稳定- 眭 纤维等非圆球粒子的沉降过程与初始粒子取向、长径比、浓度等有天，具 体表现在：i ) 当纤维的轴向与重力方向相同时，沉降最快，与重力甲行时沉 降最慢；2 ) 最大与最小沉降速度之差，随着纤维长径比的增加而增加。每个纤 维部有个垂直于重力的漂移速度，该速度与纤维取向密切相关，并随着长径 比增加而增加。 四川大学硕i 。学位论文 将一定量的纤维分散到硅油中，机械搅拌使体系分散较均一后，观察纤维 在硅油中的沉降过程。 通过观察，我们发现： 1 ) 所用试样纤维的长径比越大，纤维浓度越大，悬浮体系的稳定性越差。当 达到一定浓度时会造成纤维的缠结和凝絮，造成实验的极大误差无法准确测 量。故对于试样的选择，在长径比为4 0 0 和2 0 0 时，纤维质量浓度适合在 3 5 m r d m l 以下；长径比为1 0 0 和4 0 时，悬浮体系纤维浓度适合在6 m g m l 以 下。 2 ) 不同浓度的纤维，随浓度的增大其总沉降时间逐渐减少，但最初的l h 基 本都保持稳定。同时实验过程中仪器的剪切具有搅拌作用，使悬浮体系在整个 实验的过程中可以保持较为稳定的状态，满足实验要求。 表3 1 给出了长径比为1 0 0 ，纤维质量浓度l m g m l 的纤维悬浮体系的沉降 现象： 表3 1 长径比为1 0 0 纤维浓度i m g m l 的悬浮体系沉降现象 时间范同( h ) 现 象 0 1 1 2 2 3 3 4 基本无沉降，纤维基本保持较稳定的分散状态 ” 丌始部分沉降，底部有部分纤维沉积，出现分层，但体系上层有部 分清液出现，占总高度的5 左右。中间悬浮部分仍比较均匀。 底部出现明显的沉积，上层清液高度变大；硅油中悬浮的纤维量变 少，只占纤维总量的3 0 左右。 纤维基本沉降十底部，液相中纤维量很少。 3 2 3 体系粘度与切变速率的关系 不同温度下悬浮液体系粘度与随切变速率的关系如图3 3 3 6 。由图可见， 在切变速率范围内，悬浮体系已经不能完全保持准牛顿流体的性质，在大长径 比和低温区表现出了较为明显的非牛顿流体性质。体系粘度在低切变速率时先 增加，达到一定程度后出现剪切变稀，曲线逐渐变为牛顿平台区。同时，随温 1 9 第：葶纤维，硅油悬汀液的流娈性能 度的升高体系粘度逐步下降。 按照c h a o u c h ea n dk o c h 4 6 i 的理论，在低剪切速率下，体系粘度的显著增长 可能是由于纤维问的附着力胜过了使纤维不互相接触的流体动力的相互作用， 使之出现了凝絮及缠绕而形成了某种结构；同时大部分纤维不能沿着切力方向 取向，纤维的轴向与剪切力方向不一致。比较混乱的取向使得纤维与流体的作 用力增大，故对体系粘度的贡献较大，从而导致粘度的增加。当剪切速率增加 到一定程度时，体系的粘度反而降低，这表明经过一定的滞后时间后，机械外 力使体系的空间网状结构变形且流动，体系的粘度降低，即剪切变稀。再增大 剪切速度，机械作用下结构被破坏成单个质点，流变曲线的高剪切部分又恢复 成为牛顿流体的性质；同时大部分纤维已按应力方向排列，并没有显著的流体 作用力影响，粘度取于稳定。 2 一一7 j 广司 。铷藤6 0 c ； 26 仁1 彳1 o f ：，。 l - 1 _ - 卜j l 1 t - 一 j 一掣i,60c1408- 3 0 1 2 jj i 2 1i - 。2 4 - l 二二二 a 纤维浓度l m m l b 纤维浓度2 m g m l 。z ，庠：斗塑4 0 c 3 0 e l “7 i 5 0 1 一l i 1f o 兰2 6 h * 兰州 2 j产：，5j t 1 k ”年、 c 纤维浓度3 m g m ld 纤维浓度3 s m g m l 图3 3 长径比4 0 0 ( l = 1 0 m m ) 的纤维悬浮液的粘度与剪切速率的关系 2 0 网川大学硕i 学 奇论文 l 2l 6z 0“2 81 2 l g y a 纤维浓度i m g m l 16 2 0 2 4 z 83 2 l g y c 纤维浓度2 m g m l 27 2 6 f2 5 铀 一 2 4 2 3 i62 o242 83 2 l g y b 纤维浓度i 5 m g m l 1 , 62 d2 42 七3 2 l g y d 纤维浓度3 m g m l 图3 4 长径比2 0 0 ( l = 5 m m ) 的纤维悬浮液的粘度与剪切速率的关系 1 2l蓐2d2 2 83 2 l gy a 纤维浓度i m g m l 2 1 2l 五 2 d2 耳2 岛 3 2 l gy b 纤维浓度2 m g m l 第二章纤维硅油悬浮液的流变性能 1 21 62 02 4 2 , 83 , 2 l gv c 纤维浓度3 m g m l 2 8 27 2 6 f 凹2 5 2 4 2 3 2 2 l2162 02 4 2 , 8 3 2 l gy d 纤维浓度4 m g m l 图3 5 长径比1 0 0 ( l = 25 m m ) 的纤维悬浮液的粘度与剪切速率的关系 1 2 0 i ”k ：= l ；剿| - 1 p “。j 印j “1 叫_ 一l 二型 z 5 jr - l - j r ”1 4 z 3 j 气h 。+ _ t i l gyl gy a 纤维浓度l m g m lb 纤维浓度2 m g m l 图3 6 长径比4 0 ( l = l m m ) 的纤维悬浮液的粘度与剪切速率的关系 3 2 3 体系粘度与纤维质量浓度的关系 图3 7 给出了3 0 时各长径比的纤维悬浮液体系粘度与纤维浓度的关系。 明显的是，浓度越高，低剪切速度对应的粘度值越大，流变曲线呈现出明显的 非牛顿流体性质。 体系的流变性质反映了分散体系结构发生变形的信息。质点浓度增大后， 流变曲线变为非牛顿流体性质的原因是，在稀疏的聚结稳定的分散体系中，质 点之间彼此完全独立，互不影响，分散体系没有固定的结构；随质点浓度的增 加，质点之间的距离减小，根据二质点间的相互作用势能与它们之间作用距离 四川大学硕i ：学何论文 的理论关系知，当质点浓度大到使分散体系中质点间的距离等于势能谷所对应 的距离时，质点之间互相吸引的力作用占主导地位。这时，质点彼此集结形成 松散的三维空间网状结构。浓度越大越容易形成这种结构，且更不容易被破坏， 在流变曲线上表现为分散体系具有较大的粘度值。同时，质点浓度增大后，即 使在没有结构的情况下，也会使流线受到干扰阻碍流体的流动，宏观效果是体 系内摩擦力增大，即粘度增大。 1 21 41 6l o2 0 2 22 42 62 83 d l g y aa = 4 0 ( l = i m m l l 21 4i 6l 8 2 名；2 z 4z 62 丑3 0 b = 1 0 0 ( l = 2 5 r a m l cof200(l=5mm)do r - 4 0 0 ( l = l o m m ) 图3 , 73 0 时不同浓度的纤维悬浮液体系粘度与剪切速率的关系 3 2 4 纤维长径比对体系粘度的影响 纤维悬浮体系还是具有非牛顿流体的现象，特别是在大长径比的情况下， 剪切变稀现象比较明显。我们把这种效果放大观察，图3 8 显示了3 0 c 时不同 长径比纤维的悬浮液粘度随剪切应力的变化。一 第二章纤维辞油悬浮被的流变讹能 可以看出，随着长径比的增加，体系粘度呈增加趋势，长径比越大，体系 粘度也越大。同浓度的悬浮液中，小长径比体系中相同浓度的悬浮体系观察到 的剪切变稀