黏度是測量流體內在(zài)摩擦(cā)力的(de)所獲得的數值。當某一(yī)層流體的移動會受到另一層流體移動的影響時(shí),此摩擦力顯得極為重要。摩擦力愈大,我們就必須施予更大的力量以造成流體的移動,此力量即稱為 ”剪切(shear)”。剪切發生的(de)條件為當流體(tǐ)發生(shēng)物理(lǐ)性地移動或分散,如(rú)傾倒、散布、噴霧(wù)、混合(hé)等等。高黏度的流(liú)體比(bǐ)低黏度的材料需要更大的力量才能(néng)造成(chéng)流體的流動。 牛頓以圖4-1的模式來(lái)定義流體的黏度。兩不同平麵但平行的流體,擁有相同(tóng)的(de)麵積”A”,相隔距離”dx”,且以不同流速”V1”和”V2”往相同方向流動,牛頓假設保持此不同流速的力量正比於流體的相對速度(dù)或速度梯度,即: F/A = ηdv/dx 其中η與材料性質有關,我們稱為”黏度”。 速度梯度,dv/dx,為測量中間層的相對速度,其描述出液體所受到(dào)的剪切,我們將它稱為”剪速(shear rate)”,以S表示;其單(dān)位為時間倒數(sec-1)。 F/A項代表了單位麵積下,剪切所造成的合力,稱為”剪力(shear stress)”,以F代表;其單位為”達因每平方公分(dyne/cm2)”。 使用這些(xiē)符號,黏度計可以下列數學式定義: η=黏度=F/S=剪力/剪速 黏度的基本單位為 ”poise”。我們定義一材料在剪力為1達因每平方公分、剪速為(wéi)1 sec-1下的黏度為100 poise。測量(liàng)黏度時(shí),你可能會遭遇到黏度的單位為 “Pa˙s” 或 “mPa˙s” 的情(qíng)況,此為國際標準係統,且有時較(jiào)被公製命名所接受。1 Pa˙s等(děng)於10 poise;1 mPa˙s等(děng)於1 cp。 牛頓假設所有的材料在固(gù)定溫度下,黏度與剪速(sù)是沒有(yǒu)相關的,亦即兩倍的力量可以幫助流體移(yí)動兩倍的(de)速度。 就(jiù)我們所知,牛頓的假設隻有部分是正確的。 牛頓流體 牛頓稱具有此(cǐ)形(xíng)式流動行為(wéi)的所有流體,皆稱為”牛頓(Newtonian)”,然而這隻是你可能遭(zāo)遇到的流體中的其中一種而已。牛頓流(liú)體的特性可參考圖(tú)4-2;圖A顯示剪力(F)和剪速(S)之間為線性關係;圖B顯示在不同剪速下,黏度皆保持一定。典型的牛頓流體為水(shuǐ)與稀薄(báo)的機油。 上述代表(biǎo)的意(yì)義即為在固定溫度下,不論你所使用的黏度計型號、轉子、轉(zhuǎn)速為(wéi)何,牛頓流體的黏度皆保持一定。標準Brookfield黏(nián)度值為以Brookfield儀器(qì)在某一剪速範圍內所測之值,這就(jiù)是為什麽牛頓流體可以在(zài)所有我們的黏度計型號下操作。牛頓流體明顯地為最容易測(cè)量的流體(tǐ)-隻要拿出(chū)你的黏度計並操(cāo)作(zuò)它即可。不(bú)幸的是,更常見且更複(fù)雜的流體(tǐ)-非牛頓流體,我們將在下一節(jiē)中介紹。 非牛頓流體(tǐ)概略的定義為F/S的(de)關係不為常數,亦即當施予不同的剪速,剪力並(bìng)不隨著相同比例變化(或(huò)甚至同一方向)。這些流體的(de)黏度會受到(dào)不同剪速的影(yǐng)響,同時,不同型(xíng)號黏度計的設定參數、轉子、轉速都會影響到(dào)非牛頓流體的黏度值。此測量的黏度值(zhí)稱為(wéi)流體的”表觀黏度(apparent viscosity)”,其值為正確的隻有(yǒu)當實驗的參(cān)數(shù)值被正確的設定且精準的測(cè)得。 非牛(niú)頓流體流動(dòng)可以想象成流體為不同形狀(zhuàng)和(hé)大小的分子所組成,當它(tā)們流經彼此,亦即流動發生時,需要多少(shǎo)力量才能移動它們將取決於它們的大小、形狀及黏著性。在不同的(de)剪速下,排列的方式將會(huì)不同,而且需要(yào)更多或(huò)更少的合力才能保持運動。 辨別不(bú)同非牛頓流體的行為(wéi),可由剪速的差異得(dé)到(dào)流體黏度的變化,常見非牛(niú)頓流體的形式包括: 擬塑性(xìng)的(de)(pseudoplastic):此形式流體的特性為當剪速(sù)增加時,會伴隨著流速的減少,其可(kě)能為最常見的非牛頓流體(tǐ)。擬塑性流體包括油漆、乳液和各種不同形式的流體(tǐ)。此類流體的行為有時(shí)候可稱為”shear thinning”。 膨脹性的(diltant):膨脹性的(de)流體其特性為流速隨著剪速的增加而增加。雖然膨脹性流(liú)體不如擬(nǐ)塑性流體常(cháng)見,然而(ér)膨脹(zhàng)性流(liú)體常可由存在有不會聚集固體的流體中看到,如泥(ní)漿、糖果合成物、玉米(mǐ)澱粉類與水的混(hún)合物以及(jí)沙/水混合物。此類流體的行為也可稱(chēng)為”shear thickening”。 塑性的(de)(plastic):此(cǐ)類流體的行為就如(rú)同固體處在(zài)靜電的環境中。在流體流動前,我們(men)就必須先(xiān)施予流體某一力量,此力量稱為“屈服力(yield value)”。此類流體典型的例子為蕃茄醬(jiàng),其產值造(zào)成蕃茄醬(jiàng)無(wú)法直接從罐子中倒出,除非我們先(xiān)搖動或敲擊。當產值超過上限值時,流體(tǐ)開(kāi)始流動。塑性流體包含有牛頓流體、擬塑性流(liú)體、膨脹性流體的(de)特性。 到目前為止我們隻有討論非牛頓流體剪速的效應,當我們同時考慮時間效應時,有會有什麽問題(tí)發生?此問題使得我們必須(xū)討論其它兩類非牛頓(dùn)流體:”搖變性的(thixotropic)” 和 “流變性的(rheopectic)”。