一类特殊的非牛顿介质剪切稀化过程的试验研究-中国科学杂志社.PDF

中国科学 E 辑:技术科学 2007 年 第37 卷 第3 期: 339~343 SCIENCE IN CHINA PRESS 一类特殊的非牛顿介质剪切稀化过程的 实验研究 * 陈皓生 陈大融 汪家道 李永健 (清华大学摩擦学国家重点实验室, 北京 100084) 摘要 为研究长链分子和表面活性剂对非牛顿流体流变特性的影响, 分别在水 中添加了羟乙基纤维素以及十二烷基三乙基溴化铵和十二烷基硫酸钠的混合物. 流变实验结果显示, 前者出现了典型的剪切稀化现象, 而后者出现了先切稠后切 稀的特殊流变现象. 先切稠后切稀这种特殊的流变现象是由于活性剂分子形成的 分子团在不同剪切速率下的团聚速率和分散速率不同造成的, 溶液的黏度变化与 剪切速率有关. 结果表明, 通过选择合适的添加剂可以调节流体流变特性, 非牛 顿介质的分类中应当包含这一类黏度非单调变化的流体. 关键词 非牛顿介质 流变 剪切稀化 添加了聚合物或表面活性剂的润滑液在磁盘表面抛光 [1~3] 以及润滑 [4] 中具有广泛的应用. 含有添加剂的溶液表现出黏弹性非牛顿介质特性, 最为显著的特点是黏度随剪切速率的变化 而变化. 通常, 按照介质黏度的剪切稀化和剪切稠化将非牛顿介质分为伪塑体和膨胀体. 然而, 近年来的流变实验中出现了在同一过程中剪切稀化和剪切稠化两种现象并存的结果: 在Merkt 等人[5] 的实验中, 含有玻璃微球的水淀粉溶液出现了先切稀后切稠的黏度变化, 该实验现象同 样出现在Barnes等人 [6] 的水淀粉悬浊液流变实验中; Bruinsma等人 [7] 、Wang[8] 以及Hofmann等 人[9] 的研究结果表明, 由于表面活性剂凝聚形成胶体颗粒的作用, 其水溶液黏度随剪切速率的 变化也将出现先切稠后切稀的现象; 在国内的相关研究中, Yin等人 [10]在研究温度对表面活性 剂的影响过程中也发现了先切稀后切稠的分子体系. 上述研究对于这种复杂流变现象的理论 解释均基于对分子团聚形态以及分子间相互作用力的分析 [5~10], 然而在相关工程领域尚未见 相关流变模型的报道, 普遍使用的幂率模型无法描述剪切稀化和剪切稠化并存时的流体黏度 变化. 另一方面, 在摩擦学领域的润滑介质流变理论研究中, 机械类比模型 [11], 如Maxwell模型 和Voigt模型等能直观地反映流体中的黏弹性作用, 并易于工程计算. 然而这些模型均不能描 收稿日期: 2006-03-13; 接受日期: 2006-10-24 博士点基金课题(批准号: 20030003026)和国家自然科学基金(批准号:资助项目 * E-mail: chenhs@ 340 中国科学 E 辑 技术科学 第 37 卷 述先切稠后切稀这一现象, 但这种现象已经得到实验证明 [12]. 于是, 本文通过对含有聚合物 与表面活性剂 [10]水溶液的流变对比实验, 验证流体先切稠后切稀这一特殊流变现象的存在, 并探讨这种特殊黏度变化与剪切速率的关系. 1 流变实验