觸變性流體

材料的觸變性和剪切變稀特性是兩個不同的概念，前者是黏度隨剪切時間的變化關(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)。

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)、應力過沖和正觸變環(huán)的滯后環(huán)以及含黏彈環(huán)、應力過沖和正反觸變環(huán)的滯后環(huán)。

觸變性是含結(jié)構(gòu)材料重要而復雜的依時特性。材料受到剪切后，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸破壞，當剪切除去后，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)。當結(jié)構(gòu)形成速率大于結(jié)構(gòu)破壞速率時，材料表現(xiàn)為黏度上升，反之則黏度下降；當二者處于動態(tài)平衡狀態(tài)時，溶液表現(xiàn)為平衡黏度。

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)遭受切變的時間長短有關(guān)，它們是時間依賴性流體。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，但切變與時間有關(guān)。前者維持流體以恒定切變速度流動的切力隨時間而減小，后者在一定切變速度下，切力隨時間而增加。

絕大多數(shù)時間依賴性流體是觸變性流體(thixotropic fluid)。觸變性流體內(nèi)的質(zhì)點間形成結(jié)構(gòu)，流動時結(jié)構(gòu)破壞，停止流動時結(jié)構(gòu)恢復，但結(jié)構(gòu)破壞與恢復都不是立即完成的，需要一定的時間，因此系統(tǒng)的流動性質(zhì)有明顯的時間依賴性。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，一種看法是認為針狀和片狀質(zhì)點比球形質(zhì)點易于表現(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)，流動時結(jié)構(gòu)被拆散，切力使質(zhì)點定向流動。當切力停止時，被拆散的質(zhì)點要靠Brown運動使顆粒末端或邊相互碰撞才能重新建立結(jié)構(gòu)，這個過程需要時間，因而表現(xiàn)出觸變性。觸變性是一個較為復雜的問題，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，但加入一些極細的Al₂O₃粉末后即出現(xiàn)觸變性，其原因就不明。

在實際生產(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，人們希望油漆的流動性要好，刷時省力，易于涂勻，且可使油漆光滑明亮。但是當刷子一離開，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，鉆井時希望泥漿黏度低，這樣泥漿沖刷力強，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，靜止后又恢復原狀，它是具有時間因素的切稠現(xiàn)象。從滯后圈來看，它是順時針的，而觸變系統(tǒng)是逆時針的。最初發(fā)現(xiàn)負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)的特點是當外切力取消后，系統(tǒng)的黏度立即降低而“稀化”，而震凝性系統(tǒng)則不同，當外切力去除后，系統(tǒng)仍保持凝固狀態(tài)，至少有一段時間呈凝聚狀態(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。

觸變性揭示的是材料的黏度隨時間的變化關(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，黏度隨時間降低；

②剪切停止后或從高到低改變物料的剪切速率時，黏度隨時間恢復；

③保持剪切速率不變直到應力達到恒定值，可得到平衡流變曲線；

④反復循環(huán)剪切可得到滯后環(huán)；

⑤無限重復循環(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。

值得指出的是，黏彈性流體經(jīng)過三角波剪切后，可以得到一個類似反觸變環(huán)的滯后環(huán)(真實的實驗現(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格地區(qū)分開來十分困難，因為二者都是依賴于時間的現(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)。至今仍是一個研究熱點和難點。

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。同時含黏彈環(huán)和正觸變環(huán)的滯后環(huán)的數(shù)學表征。

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。當剪切應力作用于該流體時，聚集體結(jié)構(gòu)逐漸解離為單體；當剪切應力消除時，單體將相互作用形成聚集體。由于聚集體結(jié)構(gòu)破壞速率和恢復速率不一致，才表現(xiàn)出觸變性。

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

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不如其它非牛頓流體。其原因主要是實際中具有較強觸變性的液體較少，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)粘度計測定的流變參數(shù)而建立的。膠凝原油在旋轉(zhuǎn)粘度計中屬于剪切流，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)，勞動強度大，生產(chǎn)率低。

2）浸涂法 是將砂芯用手工或機械浸沒在涂料槽中，經(jīng)過一定時間從槽內(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，容易實現(xiàn)機械操作。

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，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, 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。