觸變性流體觸變性的表征

為了描述非牛頓流體的觸變性行為，提出各種不同的觸變模型。其中具有代表性的有Huang方程、5參數(shù)黏彈一觸變性流體本構(gòu)方程等。同時(shí)含黏彈環(huán)和正觸變環(huán)的滯后環(huán)的數(shù)學(xué)表征。

對無彈性的觸變性流體，存在聚集體和單體之間的相互轉(zhuǎn)化過程。當(dāng)剪切應(yīng)力作用于該流體時(shí)，聚集體結(jié)構(gòu)逐漸解離為單體；當(dāng)剪切應(yīng)力消除時(shí)，單體將相互作用形成聚集體。由于聚集體結(jié)構(gòu)破壞速率和恢復(fù)速率不一致，才表現(xiàn)出觸變性。

當(dāng)剪切應(yīng)力作用于流體上時(shí)，產(chǎn)生的剪切速率為多。該應(yīng)力分別引起黏性流動，彈性變形和聚集體的解離 。2100433B

值得指出的是，黏彈性流體經(jīng)過三角波剪切后，可以得到一個(gè)類似反觸變環(huán)的滯后環(huán)(真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象)，說明受剪前后黏彈性材料結(jié)構(gòu)變化速率存在差異，與受剪切歷史有關(guān)。

將觸變性和黏彈性嚴(yán)格地區(qū)分開來十分困難，因?yàn)槎叨际且蕾囉跁r(shí)間的現(xiàn)象，都與流體結(jié)構(gòu)變化密切相關(guān)。同一種材料可同時(shí)體現(xiàn)出黏彈性和觸變性，由于所受剪切條件不同，表現(xiàn)出不同的性質(zhì)。一般在低剪切速率范圍內(nèi)表現(xiàn)黏彈性，而在中等剪切速率以上表現(xiàn)觸變性。材料表現(xiàn)滯后環(huán)所用剪切速率的大小與材料種類有關(guān)。至今仍是一個(gè)研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

材料的滯后環(huán)可分為正觸變環(huán)、黏彈環(huán)、含黏彈～正觸變環(huán)的滯后環(huán)、含黏彈環(huán)、應(yīng)力過沖和正觸變環(huán)的滯后環(huán)以及含黏彈環(huán)、應(yīng)力過沖和正反觸變環(huán)的滯后環(huán)。

觸變性是含結(jié)構(gòu)材料重要而復(fù)雜的依時(shí)特性。材料受到剪切后，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸破壞，當(dāng)剪切除去后，材料的結(jié)構(gòu)逐漸形成；由于材料結(jié)構(gòu)破壞速率和結(jié)構(gòu)形成速率不同，產(chǎn)生滯后環(huán)。當(dāng)結(jié)構(gòu)形成速率大于結(jié)構(gòu)破壞速率時(shí)，材料表現(xiàn)為黏度上升，反之則黏度下降；當(dāng)二者處于動態(tài)平衡狀態(tài)時(shí)，溶液表現(xiàn)為平衡黏度。

材料的觸變性和剪切變稀特性是兩個(gè)不同的概念，前者是黏度隨剪切時(shí)間的變化關(guān)系，后者是指穩(wěn)態(tài)剪切黏度隨剪切速率的變化關(guān)系。材料的反觸變性和剪切增稠特性也是兩個(gè)不同的概念，不能混淆。材料或流體滯后環(huán)的差異，與材料的結(jié)構(gòu)差異、受力歷史密切相關(guān)。

觸變性揭示的是材料的黏度隨時(shí)間的變化關(guān)系。觸變性流體具有如下典型特征：

①從靜止的物料開始剪切或從低到高改變物料的剪切速率時(shí)，黏度隨時(shí)間降低；

②剪切停止后或從高到低改變物料的剪切速率時(shí)，黏度隨時(shí)間恢復(fù)；

③保持剪切速率不變直到應(yīng)力達(dá)到恒定值，可得到平衡流變曲線；

④反復(fù)循環(huán)剪切可得到滯后環(huán)；

⑤無限重復(fù)循環(huán)剪切可得到平衡滯后環(huán)。

以上5種觸變性特征現(xiàn)象從不同的方面反映了觸變體的流變行為。

某些流體的黏度不僅與切變速度大小有關(guān)，而且與系統(tǒng)遭受切變的時(shí)間長短有關(guān)，它們是時(shí)間依賴性流體。此種流體又可分為兩類：①觸變性(thixotropy)系統(tǒng)，②震凝性(rheopexy)系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)都是非Newton流體，但切變與時(shí)間有關(guān)。前者維持流體以恒定切變速度流動的切力隨時(shí)間而減小，后者在一定切變速度下，切力隨時(shí)間而增加。

絕大多數(shù)時(shí)間依賴性流體是觸變性流體(thixotropic fluid)。觸變性流體內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)間形成結(jié)構(gòu)，流動時(shí)結(jié)構(gòu)破壞，停止流動時(shí)結(jié)構(gòu)恢復(fù)，但結(jié)構(gòu)破壞與恢復(fù)都不是立即完成的，需要一定的時(shí)間，因此系統(tǒng)的流動性質(zhì)有明顯的時(shí)間依賴性。觸變性可以看成是系統(tǒng)在恒溫下“凝膠一溶膠”之間的相互轉(zhuǎn)換過程的表現(xiàn)。更確切地說，物體在切力作用下產(chǎn)生變形，若黏度暫時(shí)性降低，則該物體即具有觸變性。

產(chǎn)生觸變性的原因并不十分清楚。如前所述，一種看法是認(rèn)為針狀和片狀質(zhì)點(diǎn)比球形質(zhì)點(diǎn)易于表現(xiàn)出觸變性，它們由于邊或末端之間的相互吸引而形成結(jié)構(gòu)，流動時(shí)結(jié)構(gòu)被拆散，切力使質(zhì)點(diǎn)定向流動。當(dāng)切力停止時(shí)，被拆散的質(zhì)點(diǎn)要靠Brown運(yùn)動使顆粒末端或邊相互碰撞才能重新建立結(jié)構(gòu)，這個(gè)過程需要時(shí)間，因而表現(xiàn)出觸變性。觸變性是一個(gè)較為復(fù)雜的問題，許多現(xiàn)象尚不清楚，例如，石英粉的水懸浮液本來沒有觸變性，但加入一些極細(xì)的Al₂O₃粉末后即出現(xiàn)觸變性，其原因就不明。

在實(shí)際生產(chǎn)中有許多觸變性問題，例如油漆和油墨的質(zhì)量常決定于是否有良好的觸變性。在刷油漆時(shí)，人們希望油漆的流動性要好，刷時(shí)省力，易于涂勻，且可使油漆光滑明亮。但是當(dāng)刷子一離開，就要求油漆黏度很快升高，油漆不致流下來造成厚薄不勻。又如鉆井泥漿也要求有良好的觸變性，鉆井時(shí)希望泥漿黏度低，這樣泥漿沖刷力強(qiáng)，泵效率高，有利于提高鉆井速度。但是一旦停鉆以后，就希望泥漿黏度迅速升高，不然泥漿所攜帶的礦屑等雜質(zhì)就要沉到井底而形成卡鉆事故。

還有一種負(fù)觸變現(xiàn)象，它與通常的觸變性相反，即在外切力作用下，系統(tǒng)的黏度迅速上升，靜止后又恢復(fù)原狀，它是具有時(shí)間因素的切稠現(xiàn)象。從滯后圈來看，它是順時(shí)針的，而觸變系統(tǒng)是逆時(shí)針的。最初發(fā)現(xiàn)負(fù)觸變性是在高分子溶液中，最典型的是5%聚異丁烯的苯溶液。

震凝性系統(tǒng)是溶膠在外界有節(jié)奏的震動下變成凝膠。這種節(jié)奏性震動可以是輕輕敲打、有規(guī)則的圓周運(yùn)動或攪拌等。例如將1．3%的蒙脫土懸浮體放入1 cm直徑的試管內(nèi)，加一滴飽和NaCI(或KCl)溶液，用橡皮棒有節(jié)奏地輕輕敲打試管，在25℃時(shí)經(jīng)過15 S就凝結(jié)成凝膠。

震凝性與脹性不同，脹性系統(tǒng)的特點(diǎn)是當(dāng)外切力取消后，系統(tǒng)的黏度立即降低而“稀化”，而震凝性系統(tǒng)則不同，當(dāng)外切力去除后，系統(tǒng)仍保持凝固狀態(tài)，至少有一段時(shí)間呈凝聚狀態(tài)，然后再稀化。從微觀結(jié)構(gòu)來看，脹性系統(tǒng)的懸浮體是“高濃度”的，固體含量常高達(dá)40%以上，潤濕性能良好。震凝性固體含量低，僅1%～2%左右，而且粒子是不對稱的，因此形成凝膠完全是粒子定向排列的結(jié)果。

觸變性流體是一種典型的非牛頓流體，但國內(nèi)外關(guān)于其流動行為的研究遠(yuǎn)不如其它非牛頓流體。其原因主要是實(shí)際中具有較強(qiáng)觸變性的液體較少，然而我國原油具有顯著的觸變性。因此，開展觸變性流體流動行為的研究在我國具有重要的實(shí)際意義。泊肖葉流動是管道輸送原油的主要方式之一，而多孔介質(zhì)中滲流的研究有助于對原油開采的分析。研究結(jié)果為我國原油的開采和輸送提供了理論依據(jù)。

國內(nèi)外學(xué)者對含蠟原油的觸變性做了大量研究，建立了描述觸變性的模型，其中最常用的則是用指數(shù)方程來描述含蠟原油的觸變性。這些模型大多是依據(jù)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測定的流變參數(shù)而建立的。膠凝原油在旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)中屬于剪切流，而在管道內(nèi)屬于拖動流，兩者的流動邊界條件不同，對介質(zhì)的剪切方式也不同，從而引起其測試數(shù)據(jù)的差異。

涂料的主要涂敷方法有刷、浸、噴、流、靜電噴等。每種涂敷方法需要不同的涂料性能，而正確涂敷方法的采用，取決于砂芯（型）形狀，大小、批量，以及是型還是芯。

1）刷涂法 要求涂料的流型是觸變性流體，刷涂要求工人有熟練的技術(shù)，勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)率低。

2）浸涂法 是將砂芯用手工或機(jī)械浸沒在涂料槽中，經(jīng)過一定時(shí)間從槽內(nèi)取出，用振動或旋轉(zhuǎn)或摔動或刷子去除多余涂料。此法是最快的施涂方法，大多用于高生產(chǎn)率的鑄造車間，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械操作。

3）噴涂法 是比刷涂要快得多的施涂法。此法最好用于形狀較簡單的砂型和砂芯。使用醇基涂料時(shí)，灑精霧化散入空氣的量大，污染環(huán)境。

4）流涂法 是一種新型快速方法，特別適合較大砂型和砂芯生產(chǎn)線上涂料工位的施涂要求。

1一泄流閥, 2一涂料罐, 3一電動機(jī), 4一攪拌桿, 5一濾網(wǎng), 6一回收槽

7一砂型, 8一流涂桿頭, 9一控制開關(guān), 10一軟管, 11一泵

5）靜電噴涂法 采用粉末涂料，借高壓直流電形成強(qiáng)大靜電場使粉末涂料微粒在噴槍頭部的電暈放電區(qū)帶電，在電場力和風(fēng)力作用下向異極性砂芯（型）表面迅速集積成涂層，然后加熱使涂料中粘結(jié)劑軟化重熔建立涂層強(qiáng)度。此法適用于尺寸較狹小的凹坑或狹縫不易徐敷上涂料的場合。