ppt胶体的流变性

Re
vd

式中，v 为流速；d 为管直径；ρ为液体的密度。
Re超过1400～2000临界值时，层流变为湍流。
目
录
1
2 3
基本概念和术语
稀胶体溶液的黏度
浓分散体系的流变性质
4
胶粒的平均大小与多分散度
二、稀胶体溶液的黏度
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。 定义相对黏度
溶剂
η r = η溶胶 /η
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。
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。
三、浓分散体系的流变性质
1. 牛顿体
• D-τ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-τ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。
D
• 牛顿型液体常称为真液体。

三、浓分散体系的流变性质

大部分高分子溶液和乳状液属此流型。
三、浓分散体系的流变性质
形成原因
这类体系倘若有结构也必然很弱，故τy 几乎为零，在流动中结构不 易恢复，故表观粘度η0 总是随切速增加而减少； 这类体系也可能无结构，ηa 的减小是不对称质点在速度梯度场中定 向的结果。
应用实例
油井压裂液：
地层中——高粘度——强携砂能力、大压裂应力
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：1.009×10-3Pa· s 苯：6.47×10-4Pa· s
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。
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1～3mm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。
dv D dx
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。
dv D dx
η ——液体粘度

牛顿公式
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
2. 塑性体 （plastic fluid）
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τy 处，亦 即只有当τ>τy 时，体系才流动，τy 称为屈服值 （yield value）。
f L f B fM
D

• 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
特点
无屈服值，其流变曲线通过原点，表观黏度
D
η0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。
o

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KD
n
0 n 1
kDn 表观粘度： a kD( n 1) D D
K 是粘稠度的量度，K 越大，液体越粘稠； n<1，是非牛顿性的量度，n 越小，非牛顿性越显著。
为1m/s，则此液体的黏度为1Pa· s。
一、基本概念和术语

牛顿流体（Newtonian fluid）：符合牛顿公式的流体。 非牛顿液体（non- Newtonian fluid ）：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τ/D不
再是常数，而是切速的函数。

表观粘度（apparent viscosity）：以ηa表示一定(τ/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
粘 度 测定公式
πr 4 p t 8lv
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
胶体的流变性
胶体的流变性
流变性质（rheologic properties）： 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）。
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
塑性体流变曲线的直线部分可表示为：
τ-τy =η塑D （τ>τy ）
式中，η塑称为塑性黏度（或结构黏度），它和屈服值τy 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。
当粒子带电时，粒子大小直接影响溶液的黏度。 当ζ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ζ电位共存。
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基本概念和术语
稀胶体溶液的黏度
浓分散体系的流变性质
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胶粒的平均大小与多分散度
三、浓分散体系的流变性质
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。
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。
质点在流场中的定向
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
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ηr 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
注意
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。
三、浓分散体系的流变性质
实 例 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。
三、浓分散体系的流变性质
3. 假塑体 （pseudoplastic fluid）
胶体的流变性
胶体的流变性
目
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基本概念和术语
稀胶体溶液的黏度
浓分散体系的流变性质
4
胶粒的平均大小与多分散度
一、基本概念和术语
1. 切变速度与切应力
v x
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
二、稀胶体溶液的黏度
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
J r 1 (2.5 )Φ 16
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。
2
对于其他形状的质点，溶胶黏度都随质点的轴比 (axial ratio)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
Stormer粘度计
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θ）之间的关系为：
W K Ω
或
θ Ω
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。
从而导出
（ 0 1 2.5Φ）
η0为介质的黏度； Φ为分散相所占的体积分数。
式中， η为溶胶的黏度；
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， η r与Φ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。
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 (shear force)，简称切
力。用τ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。
t 0 0t0
η0、ρ0、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；η、ρ、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ρ≈ρ0，这时
t 0 t0
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。
式中，r、l 分别为毛细管的半径和长度；
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=hρg，故可根据下式求出待测液 体的黏度：
时间而改变。
只有在层流条件下，牛顿公式才成立。 湍流（turbulent flow）：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： 雷诺系数（Reynolds number） 用来描述液体的流体状况。它是一个无因次数： 圆管中的流动：
用已知黏度的牛顿流体（通常用甘油）进行测量，以W 对 转速Ω（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（ laminar flow）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
5. 电荷对黏度的影响
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（electroviscous effect）。
溶液黏度η和粒子半径r以及ζ电位之间的关系式
0 1 2 2.5[1 ( ) ] 2 0 0 r k 2
式中，k 为电导率；ε为介电常数；ζ为Zeta电位。
管道中——低粘度——高速流动，减小能量消耗
三、浓分散体系的流变性质
4. 胀流体 （dilatant fluid）
特点
流变曲线也通过原点，但与假塑体相反，其流变 曲线为一凸向切速轴的曲线。胀流体的表观黏度ηa随 切速增加而变大，也就是说，这类体系搅得越快，显 得越稠。
D
o