Frank聊流變-萬物可測之：流動

材料是個復雜的東西，庖丁解牛，也得割下去第一刀。任何物質或者材料，只要你可以把它變成軟物質，利用流變儀都可以測量，所謂萬物可測。那么流變學測試，第一刀從哪里下手呢？先了解幾個基本概念。

流動的測量

4.1 流動的意義

吃個飯，咀嚼吞咽，蠕動，消化吸收，排泄，要靠流動。血液輸送營養和氧氣，修補細胞和器官，靠流動。

原油開采，高壓裂解，原油輸送，煉化，形成汽油，支撐汽車，船舶，航空器自由運轉，靠流動。

地殼的漂移，高山的隆起，海洋的形成，火山的噴發，珠穆朗瑪峰的增長，上海灘的形成，靠流動。

上升到哲學高度，流動是物質存在的形式。所謂萬物皆流，這是流變學的思維模式。流變學的重要任務之一，就是讓流動變得可以測量。

4.2 流動的測量

很多客戶，在糾結一個非常重要的定義，黏度。特別說明，是黏度，不是粘度。黏，形象的表達了流體的連續性，黏合性，以及測量的本質，阻力。黏度，是流動的阻力度量，可以表征流動的難易程度。流動是絕對的，只要把物質放在一個可觀測的時間尺度上。所以，黏度的問題是個力學問題；采取合理的條件，選擇合適的力學測量傳感器和一個時間度量傳感器，力的大小就可以正確、準確的測量。

4.2.1 黏度以及流動曲線

不需要繼續糾結是選擇黏度計還是流變儀來測量黏度。如果預算充足，不要猶豫，選擇流變儀絕對不會出錯。但是，如果你是簡單流體，黏度計也是很好的選擇。但我們在科學研究和工業生產的過程中，軟物質是復雜的流體，是一個難以精確描述的黑箱。所以，建議選擇流變儀來測試，為未來的研究留下空間。

黏度的表達有多種，相對黏度，絕對黏度，增比黏度，表觀黏度，讓人眼花繚亂，無所適從。我的建議是無論何種粘度名稱，都是適用于不同的場景或者儀器或者物料。簡單了解一下，就可以明白，包括牛頓和非牛頓。公式如下：

從來不要依賴單一的黏度值解決問題，雖然這個方法簡單、經濟，容易理解，但是往往會表征失效。遇到的實際問題，黏度的單一表達就會失效。管中窺豹，只見一斑。分析不全面，就會產生錯誤。所以，把黏度的點形成連續的線，用黏度曲線（下圖）和流動曲線來表達，這是表達流動的最基礎的兩條線。

1 idealviscous (Newtonian)（牛頓流體）

      2shear-thinning (pseudoplastic)（非牛頓流體：剪切稀釋型）

3 shear-thickening (dilatant)（非牛頓流體：膨脹型）

我這里建議大家更多的關注流動曲線，而不是黏度曲線。只有應力數據合理了，正確了，黏度數據才合理，正確。因為要考慮測試的邊界條件限制：

剪切速率合理嗎？

物質有揮發或者沉淀嗎？

測試的時候物料樣品有甩出嗎？

彈性的影響大嗎？比如下圖：高剪切下，受到樣品性品彈性影響出現Weissenberg 效應（爬桿效應）。這是測試過程中要避免的，所以，首要關注的是流動曲線，也就是應力曲線。

不要以為這些曲線的測試是一個簡單的工作，如果需要獲得穩定和重復性高的數據，對于流變測試的條件還要進行持續優化的，這需要經驗和很好的流變學理解。這在后面測試條件的優化中會進行討論。

通過這個初步的測試，可以獲?。?/span>

1、流體的基本信息，牛頓流體還是非牛頓流體，剪切變稀還是變稠，測試的轉子選擇，速率選擇等是否合適。

2、為下一步的測試提供經驗和數據儲備。

3、黏度與剪切速率的對應關系，可以加深與工業應用的關聯和理解，見下圖：

4.2.2 觸變性測量

首先強調，觸變性是個相對測量，而且影響測試結果的因素有很多，沒有很好的流變學素養想把觸變性測試好，是一件困難的事情。理解下概念。

【觸變性流體】對于假塑性液體，剪切增強引起的變稀作用的主要機理為：顆?；蚍肿禹樦鲃臃较蛉∠蚧蚺帕械淖饔贸^了分子布朗運動所產生的隨機化作用。這種取向作用如果再消失，則稱觸變性。對于許多分散體系，顆粒/分子間相互作用，鍵合產生三維網絡結構，通常稱為“凝膠”。當體系受到長時間剪切時這些鍵易于破裂。此時網絡解體，體系粘度隨剪切時間降低，直到漸漸接近給定剪切速率下可能的zui低值為止。這個zui低粘度值稱為分散體系的“溶膠”狀態。

觸變性流體的特性在于：只要讓物料靜置足夠的時間，該流體就能夠重建凝膠結構。凝膠-溶膠、溶膠-凝膠這種變化。

觸變性充分依賴于時間尺度。

【反觸變性流體】:又稱流凝性液體，其特征是粘度隨著剪切持續上升。當靜止后又會恢復到原來的低粘度水平。流凝性和觸變性是兩種相反的流動特性。

字數有點多，略顯復雜。一句話，流體結構破壞之后的回復能力、回復特性和回復快慢。理解觸變性需要一個過程，觸變性與實際工程、工業生產以及我們的生活息息相關，密不可分。

A：觸變現象

我們天天寫字，用到油墨。不管是中性筆還是圓珠筆，解決不好觸變性問題，導致兩個問題：一是書寫流利性不夠，二就是漏墨。為什么日本的水性筆行銷世界廣受歡迎，一個解決了筆芯的珠子加工精度問題，另外一個油墨的觸變性得以穩定的、科學的進行測量。

涂料刷涂，如果沒有解決流平和流掛問題，你生產的油漆涂料就會給工人師傅帶來困擾，結果就是你的產品失去市場。

鋰電池正度及材料的涂布工藝，觸變性解決不好，工藝參數調整不好，直接的結果就是生產的電芯在纏繞的過程中鼓包了，甚至嘎嘣斷掉了。損失的，有可能是一鍋幾十萬成本的漿料。

電子膠黏劑在點膠工藝中，觸變性能不合適，直接的結果是既浪費膠黏劑，又帶來產品瑕疵，產生過多毛刺，接下來要修邊，最終影響生產效率。

這樣的例子還有很多。那么觸變性能的大小，好壞，有沒有標準呢？答案是沒有，要實事求是，依據應用實際來進行分析。

B、測量方法錐

(1) 時間曲線 –結構恢復三段式

在恒定的剪切速率下觀察樣品內部結構的破壞,以動態振蕩測試或時間方式, 在等待不同時間之后觀察和確定該樣品結構的重建. 即時間曲線模式和三段測量模式(動態振蕩+ 穩態剪切+ 動態振蕩).

(2) 流動曲線-觸變環

在恒定溫度下, 逐漸升高剪切速率到某一設定點, 然后再降低剪切速率到原點. 通過流動曲線的滯后環面積測量樣品的觸變性, 即觸變環模式。

強調一下，同樣的物料，用這兩種方法測試出來的結果具有一致性，但是側重點各有不同。三段式表達的是回復時間的快慢，直觀表達與噴涂，刷涂，滾涂等相關的工藝參數。觸變環是回復能力的大小。依據個人經驗，我推薦采用三段式的方式。這種方式為解決一些高填料樣品或者粘彈性樣品提供了較為理想的測試方法。

C：觸變測試的注意事項，此處敲黑板。

（1）剪切歷史。觸變性嚴重依賴于時間，是材料的依時性特征表達。在測試之前，應該努力避免對物料初始結構狀態的改變，避免預剪切。比如：

圓筒轉子進入物料對物料初始結構的影響，測試平板或者錐板對樣品的擠壓；

攪拌或者混合；

加樣方式：擠出，注射；

自動升降步進電機速度控制與法向力控制；

（2）物料本身結構和狀態

溶劑的揮發與測試溫度之間的協調；

均相結構與懸浮結構甚至含有顆粒等沉降物，體系盡可能做到均相；

（3）測試條件的優化

尋找適合于物料合適的觸變性測試條件，是一個復雜的工程。不同的物料，粘度不同，結合實際工程工藝，提高測試的穩定性和重現性。以下都是測試的經驗。

對于高填料或者錐板夾具，三段式要采用動態震蕩模式；

圓筒轉子測試時候，觸變環或者三段式測試，破壞段的速率選擇要充分考慮慣量的影響，避免速度過沖等不合理數據；

在開始測試之前，給足時間讓yueqian物料盡可能回復到原始狀態，避免非正常的剪切影響；

以上這些如果加以理解并多做操練，觸變性的測試可以得到預期的測試效果。

4.2.3 屈服應力

定義：克服彈性行為開始流動需要最小的力，叫做屈服應力。屈服應力具有特征指紋的特點，是材料的特征屬性。在整個流變學研究中，尤其是小振幅或者低剪切測試中，屈服應力是一個非常關鍵的參量。

A：測量方法

（1）應力增長模式

設定恒定的剪切速率,測得最大剪切應力 對應于時間t (線性坐標)。

方法看似簡單，但是想把測試做好不太容易。剪切速率的選擇很重要，另外，設備的靈敏度也要滿足測試要求。針對屈服應力小的物料或者比較稀的物料，建議選擇空氣軸承的流變儀。這類方法對于水泥砂漿、金屬粉末等非常合適。

（2）控制應力(CS)掃描模式:

連續增大的剪切應力施加到被測樣品上, 觀察產生的形變, 曲線斜率變化兩個切線的交點對應的應力(雙對數坐標形變- 應力)。

這個方法很直觀，容易理解。隨著應力的增長，形變會產生一個突躍，也就是從不流動到流動的拐點區域。在拐點的左側，很直觀的表達了線性黏彈區，零剪切粘度等概念，對于流變學融會貫通的理解，提供了一個簡單易懂的圖形數據模式。

（3）振蕩(OSC)應力掃描模式:

? 以某一頻率的正弦波施加到被測樣品上, 應力幅度逐漸增加,曲線斜率變化兩個切線的交點對應的應力(雙對數坐標形變- 應力)。

這個設備對流變儀設備是有要求的，可以進行震蕩模式的測試。本人推薦采用該模式來測試屈服應力，數據的穩定性高，容易掌握。該方法特別適合于高分子聚合物類的樣品，或者有內聚強度的樣品，或者具有粘彈性的樣品。

屈服應力測試的方法有很多種，不一一列舉。以上三種方法比較簡單易行，可以解決大部分實際工程問題。

B：屈服應力的測試討論

（1）不同測試方法的差異

如果去看文獻，有不同的屈服應力。而且不同的行業，不同的樣品，都采用不同的測試方法。需要特別強調，雖然屈服應力是材料的特征屬性，但是不同的方法測試的數值都不一樣。所以，在測試的時候，一定要用一樣的測試條件和同樣的判定標準去進行測試。

（2）測試屈服應力的意義

屈服應力可以表征材料的穩定性，貨架期。結合零剪切粘度，stroke方程，可以表征分散體在懸浮體系的材料穩定性。

屈服應力可以做一致性評價。對于配方和生產工藝批間差可以進行控制表征。

屈服應力可以表征材料的施工特性，擠出的難易程度，形狀保持等與工程施工相關的工藝問題。

對于化妝品來說，屈服應力可以表達涂抹在皮膚上的觸感和柔滑特性。對于食品果醬、花生醬等產品來說，可以表達使用的便利性。同時，這一數值是很好的質量控制關鍵點數據。

屈服應力測試，可以解決漿料類材料運輸，泵送的問題。比如水泥砂漿，原油輸送，雞肉漿的罐間轉移等。

4.3 流動測試小結

黏度以及流動曲線，觸變性和屈服應力，囊括了流動測試的全部內容。作為一款流變儀，必須具備三種模式，控制速率，控制形變和控制應力。三種模式缺一不可，否則就是一臺黏度計。

1、屈服應力是物料的特征屬性，可以表征物料的差異。

2、屈服應力可以解決穩定性、泵送擠出工藝等實際工程問題。

3、建議采用振蕩(OSC)應力掃描模式進行屈服應力測試。

4、三段式和觸變環都可以表達觸變性，但不同工藝，不同物料，應該有所區別。

一句話，完整理解并掌握流動測試的基本概念和方法，流變學的測試只是邁出了第一步，接下來的應變測試更為抽象和復雜。