第5讲 胶体的流变性.ppt

第五讲胶体的流变性,流变性质（rheologicproperties）：物质在外力作用下的变形（deformation）和流动(flow)的性质。,研究胶体流变性质的作用：（1）估计胶体质点的大小、形状以及质点与介质间的相互作用。（2）解决生产中的重要问题（油漆、牙膏、陶土成形、照相乳剂的涂布、钻井用泥浆等）。,胶体的流变性,胶体的流变性,胶体的流变性,目录,1.切变速度与切应力,将流动着的液体看作许多相互平行移动的液层，各层速度不同，形成速度梯度(dv/dx)，这是流动的基本特征。,一、基本概念和术语,一、基本概念和术语,由于速度梯度的存在，流动较慢的液层阻滞较快液层的流动，因此，液体产生运动阻力。为使液层维持一定的速度梯度运动，必须对液层施加一个与阻力相反的反向力。在单位液层面积上施加的这种力，称为切应力(shearforce)，简称切力。用表示，单位为N/m2。切变速度：即速度梯度，简称切速，用D表示，单位s-1。切应力与切变速率是表征体系流变性质的两个基本参数。,一、基本概念和术语,2.牛顿公式和黏度,流动时液体内部形成速度梯度，故产生运动阻力，切应力反映此阻力大小。,液体粘度,黏度定义：将两块面积为1m2的板浸于液体中，两板距离为1m，若加1N的切应力，使两板之间的相对速率为1m/s，则此液体的黏度为1Pas。,一、基本概念和术语,牛顿流体（Newtonianfluid）：符合牛顿公式的流体。,非牛顿液体（non-Newtonianfluid）：不符合牛顿公式的流体。,非牛顿流体的切应力与切速间无正比关系，比值/D不再是常数，而是切速的函数。,表观粘度（apparentviscosity）：以a表示一定(/D)下的黏度，称表观粘度。,一、基本概念和术语,一、基本概念和术语,一、基本概念和术语,3.黏度测定的方法,测定黏度的方法主要有毛细管法、转筒法及落球法。,（1）毛细管粘度计,用于测定液体、溶液和胶体溶液的黏度，主要使用于牛顿流体。,毛细管粘度计的基本公式是Poiseuille公式,式中，r、l分别为毛细管的半径和长度；v为在t时间内液体所流过的毛细管体积；p为毛细管两端的压力差。,粘度测定公式,一、基本概念和术语,一般用已知黏度的液体测出粘度计的毛细管常数，再令待测液体在相同的条件下流过同一只毛细管。因为同一毛细管的r、l、v一定，故液体在毛细管中流动仅受压力差p的影响，在此处压力差即为重力，即p=hg，故可根据下式求出待测液体的黏度：,0、0、t0分别为标准液体（如纯水、纯苯等黏度已知）的黏度、密度、和使一定体积标准液体流过毛细管所经过的时间；、t为待测液体的黏度、密度、和使同一体积待测液体流过毛细管所经过的时间。,一、基本概念和术语,若溶液很稀，则0，这时,只要测出已知黏度的标准液体和待测液体的流经时间，根据上式就可以测出待测液体的黏度。,常作标准液体（20）水：1.00910-3Pas苯：6.4710-4Pas,一、基本概念和术语,（2）转筒式黏度计,适用于非牛顿流体的黏度测定，实际工作中用于测定流体流型。,Stormer粘度计,工作机理转筒式黏度计有两个同心筒组成，两筒间保持一定的间隙（例如13mm左右），此间隙为待测样品所充满。两筒中一筒转动，另一筒固定，这样在样品液体内部存在速度梯度，并产生流动阻力。作用在单位面积上的阻力极为切应力的大小。如外筒不动，靠加重量（砝码）使内筒转动，就可有由砝码质量、力臂长度、筒侧面积求出切应力值。,一、基本概念和术语,一、基本概念和术语,转筒式黏度计的构造示意图,一、基本概念和术语,转筒式粘度计的类型较多，常用的是Stormer粘度计。无论哪种类型，体系黏度、筒的转速和所加重量W（有些仪器是根据弹簧丝的偏转角）之间的关系为：,或,式中，K为仪器常数，与转筒的半径、高度以及两筒间间隙等有关。,用已知黏度的牛顿流体（通常用甘油）进行测量，以W对转速（r/min）作图，便可从直线的斜率求出仪器常数K。对同一台仪器测量不同转速下所需外加的重量，便可画出流变曲线，并可据此确定体系的流型。,一、基本概念和术语,（3）落球黏度计,原理：Stokes公式,一、基本概念和术语,4.层流与湍流,层流（laminarflow）的特点：体系的流动处于稳恒状态，体系中任何一点的流速（包括大小、方向）不随时间而改变。只有在层流条件下，牛顿公式才成立。,湍流（turbulentflow）：当流速超过某一限度时，有不规则的或随时间而改变的旋涡生成，此时为湍流。牛顿公式不适合湍流条件下的使用。,一、基本概念和术语,流型的判断依据：,一、基本概念和术语,目录,定义相对黏度r=溶胶/溶剂,相对黏度的大小与质点的大小、形状、浓度、质点与介质的相互作用以及它在流场中的定向程度等因素有关。,液体流动时，为克服内摩擦需要消耗一定的能量。倘若液体中有质点存在，则液体的流线在质点附近受到干扰，这就要消耗额外的能量，因此，溶胶或者悬浮液的黏度均高于纯溶剂的黏度。,二、稀胶体溶液的黏度,1.分散相浓度的影响,对于稀的溶胶或悬浮液，Einstein假定：,质点是远大于溶剂分子的圆球；质点是缸体，且与介质无相互作用；溶胶很稀，液体经过质点时，各层流所受到的干扰不相互影响；无湍流。,从而导出,式中，为溶胶的黏度；0为介质的黏度；为分散相所占的体积分数。,二、稀胶体溶液的黏度,实验证明，当浓度不大于3%（体积分数）的球形质点，r与间确有线性关系，但是Einstein导出的式中常数往往大于2.5。这可能是由于质点溶剂化，从而使实际的体积分数变大的缘故。浓度较大时，质点间相互干扰，体系的黏度将急剧增加，Einstein公式就不再适用。,二、稀胶体溶液的黏度,2.温度的影响,温度升高，液体分子间的相互作用减弱，因此液体的黏度随温度的升高而降低。溶胶的黏度也随温度的升高而降低，由于溶剂的黏度也相应降低，故r随温度的变化往往不大。,较浓的胶体体系，由于在低温时质点间常形成结果，甚至胶凝，而在高温时结果又常被破坏，故黏度随温度变化的幅度要大得多。,二、稀胶体溶液的黏度,注意,3.质点形状的影响,刚性棒状质点在速度梯度的定向作用可以忽略的条件式,式中，J为分子的长短轴之比，与Einstein公式比较可以看出，质点越不对称，溶液的黏度越高。见教材第112页图2-67。,对于其他形状的质点，溶胶黏度都随质点的轴比(axialratio)的增加而变大。,二、稀胶体溶液的黏度,质点形状不对称的必然结果是偏离牛顿公式，此时切应力与切变速度的比值不再是常数，而是随切速的增加而下降，这主要是由于不对称质点在速度梯度场中的定向造成的。,在棒状质点两端处液体的流速不同，故质点受到一个转矩作用，促使其轴与流线平行定向，但布朗运动能使质点作无规取向，这两个相反的结果使质点与流线成一定的取向。速度梯度越大，定向作用越强。定向的结果，往往可使质点与流动方向趋于一致，这当然会减小对液体流动的干扰，因此，表观黏度随速度梯度增加而下降。,二、稀胶体溶液的黏度,4.黏度与质点大小的关系,由Einstein公式可见，球形质点稀溶液的黏度仅与质点的体积分数有关，与质点大小无关，因此不能由黏度的测定来确定质点的大小。,若质点形状很不对称时，则黏度与质点大小很有关系，因为质点变大的结果常使其不对性增大（如线性高分子就是这样），故溶液的黏度也随之增大，因而有可能将黏度和质点大小定量地联系起来。例如用黏度法测定线性高分子溶液中高分子的分子量，已是实验室中最经常采用的一种方法。,二、稀胶体溶液的黏度,若粒子带电，则溶液的黏度增加，这种额外的黏度通常称为电黏滞效应（electroviscouseffect）。,5.电荷对黏度的影响,溶液黏度和粒子半径r以及电位之间的关系式,式中，k为电导率；为介电常数；为Zeta电位。,当粒子带电时，粒子大小直接影响溶液的黏度。当电位为零时，则上式又转变为Einstein公式。这也说明电粘滞效应与电位共存。,二、稀胶体溶液的黏度,目录,以切变速度D对切应力作图，可以得到流变曲线，它表示了体系的流变特性。按流变曲线的类型可将流体分为不同的流型。,三、浓分散体系的流变性质,1.牛顿体,D-关系为直线，且通过原点。即在任意小的外力作用下，液体就能发生流动。从D-直线关系可见，直线的斜率越小，液体的黏度越大。大多数纯液体（如水、甘油、低黏度油以及许多低分子化合物溶液和稀的溶胶）都是牛顿液体。牛顿型液体常称为真液体。,三、浓分散体系的流变性质,2.塑性体（plasticfluid）,也叫Bingham体。其流变曲线也是直线，但不经过原点，而是与切力轴交在y处，亦即只有当y时，体系才流动，y称为屈服值（yieldvalue）。,外加切应力较小，不流动，只发生弹性变形；而一旦切应力超过某一限度时，体系的变形就是永久的，表现出可塑性，故称其为塑性体。使塑性体开始流动所需加的临界切应力，即为屈服值。,三、浓分散体系的流变性质,式中，塑称为塑性黏度（或结构黏度），它和屈服值y是塑性体的两个重要流变参数。,解释,静止时，不规则粒子形成网状结构，须破坏其网状结构方可流动。达到层流切力后结构被彻底破坏。,三、浓分散体系的流变性质,钻井泥浆：黏土质点成片状，基面带负电，侧面带少量正电。黏土粒子在水中易形成结构。开钻时高速循环泥浆，结构被拆散，流动阻力小。停钻后结构重新形成，屈服值保证了岩屑的悬浮，也可防止泥浆渗入地层。,实例,三、浓分散体系的流变性质,3.假塑体（pseudoplasticfluid）,特点,无屈服值，其流变曲线通过原点，表观黏度0随切力增加而下降，亦即搅得越快，显得越稀。其流变曲线为一凹向切力轴的曲线。,大部分高分子溶液和乳状液属此流型。,K是粘稠度的量度，K越大，液体越粘稠；n1）,表观粘度：,三、浓分散体系的流变性质,（1）颗粒必须是分散的而不是聚结的；（2）分散相浓度相当大，且在一狭小范围内。浓度低时为牛顿体，高时为塑性体。,条件,解释,应用实例,钻井时如果遇到胀流性很强的地层会发生严重的卡钻事故。,三、浓分散体系的流变性质,5.触变流型,触变性（thixotrophy）摇动变成流体、静置又变成半固体的性质。触变性是体系粘度与切应力作用时间的长短有关的现象。,解释,静止时不规则粒子形成结构，搅拌时被打散，结构的拆散和形成与时间有关。,应用实例,利用泥浆的触变性将岩屑自井中运到井外。,成因复杂、应用广泛。,三、浓分散体系的流变性质,目录,绝大多数胶体体系是多分散的，即胶粒大小是不均匀的。,在胶体科学中，常用胶粒直径（或半径）的平均值表征胶粒。,1.数均直径,用显微镜法测得的胶粒平均直径具有数均性质。,四、胶粒的平均大小与多分散度