黏度是测量流体内在摩擦力的所获得的数值。当某一层流体的移动会受到另一层流体移动的影响时,此摩擦力显得极为重要。摩擦力愈大,我们就必须施予更大的力量以造成流体的移动,此力量即称为 ”剪切(shear)”。剪切发生的条件为当流体发生物理性地移动或分散,如倾倒、散布、喷雾、混合等等。高黏度的流体比低黏度的材料需要更大的力量才能造成流体的流动。 牛顿以图4-1的模式来定义流体的黏度。两不同平面但平行的流体,拥有相同的面积”A”,相隔距离”dx”,且以不同流速”V1”和”V2”往相同方向流动,牛顿假设保持此不同流速的力量正比于流体的相对速度或速度梯度,即:F/A = ηdv/dx其中η与材料性质有关,我们称为”黏度”。 速度梯度,dv/dx,为测量中间层的相对速度,其描述出液体所受到的剪切,我们将它称为”剪速(shear rate)”,以S表示;其单位为时间倒数(sec-1)。 F/A项代表了单位面积下,剪切所造成的合力,称为”剪力(shear stress)”,以F代表;其单位为”达因每平方公分(dyne/cm2)”。 使用这些符号,黏度计可以下列数学式定义:η=黏度=F/S=剪力/剪速 黏度的基本单位为 ”poise”。我们定义一材料在剪力为1达因每平方公分、剪速为1 sec-1下的黏度为100 poise。测量黏度时,你可能会遭遇到黏度的单位为 “Pa˙s” 或 “mPa˙s” 的情况,此为国际标准系统,且有时较被公制命名所接受。1 Pa˙s等于10 poise;1 mPa˙s等于1 cp。 牛顿假设所有的材料在固定温度下,黏度与剪速是没有相关的,亦即两倍的力量可以帮助流体移动两倍的速度。 就我们所知,牛顿的假设只有部分是正确的。牛顿流体 牛顿称具有此形式流动行为的所有流体,皆称为”牛顿(Newtonian)”,然而这只是你可能遭遇到的流体中的其中一种而已。牛顿流体的特性可参考图4-2;图A显示剪力(F)和剪速(S)之间为线性关系;图B显示在不同剪速下,黏度皆保持一定。典型的牛顿流体为水与稀薄的机油。 上述代表的意义即为在固定温度下,不论你所使用的黏度计型号、转子、转速为何,牛顿流体的黏度皆保持一定。标准Brookfield黏度值为以Brookfield仪器在某一剪速范围内扮茄亏所测之值,这就是为什么牛顿流体可以在所有我们的黏度计型号下操作。牛顿流体明显地为最容易测量的流体-只要拿出你的黏度计并操作它即可。不幸的是,更常见且更复杂的流体-非牛顿流体,我们将在下一节中介绍。非牛顿流体概略的定义为F/S的厅神关系不为常数,亦即当施予不同的剪速,剪力并不随着相同比例变化(或甚至同一方向)。这些流体的黏度会受到不同剪速的影响,同时,不同型号黏度计的设定参数、转子、转速都会影响到非牛顿流体的黏度值。此测量的黏度值称为流体的”表观黏度(apparent viscosity)”,其值为正确的只有当实验的参数值被正确的设定且精准的测得。 非牛顿流体流动可以想象成流体为不同形状和大小的分子所组成,当它们流经彼此,亦即流动发生时,需要多少力量才能移动它们将取决于它们的大小、形状及黏着性。在不同的剪速下,排列的方式将会不同,而且需要更多或更少的合力才能保持运动。 辨别不同非牛顿流体的行为,可由剪速的差异得到流体黏度的变化,常见非牛顿流体的形式包括:拟塑性的(pseudoplastic):此形式流体的特性为当剪速增加时,会伴随着流速的减少,其可能为最常见的非牛顿流体。拟塑性流体包括油漆、乳液和各种不同形式的流体。此类流体的行为有时候可称为”shear thinning”。 膨胀性的(diltant):膨胀性的流体其特性为流速随着剪速的增加而增加。虽然膨胀性流体不如拟塑性流体常见,然而膨胀性流体常可由存在有不会聚集固体的流体中看到,如泥浆、糖果合成物、玉米淀粉纳知类与水的混合物以及沙/水混合物。此类流体的行为也可称为”shear thickening”。 塑性的(plastic):此类流体的行为就如同固体处在静电的环境中。在流体流动前,我们就必须先施予流体某一力量,此力量称为“屈服力(yield value)”。此类流体典型的例子为蕃茄酱,其产值造成蕃茄酱无法直接从罐子中倒出,除非我们先摇动或敲击。当产值超过上限值时,流体开始流动。塑性流体包含有牛顿流体、拟塑性流体、膨胀性流体的特性。 到目前为止我们只有讨论非牛顿流体剪速的效应,当我们同时考虑时间效应时,有会有什么问题发生?此问题使得我们必须讨论其它两类非牛顿流体:”摇变性的(thixotropic)” 和 “流变性的(rheopectic
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