农业物料学-液体粘度-XXXX-1

第四章液体物料的流动特性液体物料：在重力作用下会产生流动且不能保持其形状的物料主要内容：液体物料的流动特性液体物料流动性质的测定流变学分类一、液体物料的流动特性•流动特性曲线：液体所受剪切应力与剪切速率间的函数关系曲线•牛顿流体：剪切应力与剪切速率间为线性关系•非牛顿流体：剪切应力与剪切速率间为非线性关系•粘性流动：流动曲线通过原点•塑性流动：流动曲线不通过原点，只有当剪切应力超过屈服应力时，液体才产生流动•与时间无关：在给定温度和剪切速率时，剪切应力为常数•与时间有关：在给定温度和剪切速率时，剪切应力不为常数非牛顿流体分类•物料的流变行为强烈地依赖于其结构、分子量及其分布、温度、压力、时间、作用力的性质和大小等外界条件•弹性形变及其后的松驰影响制品的外观，尺寸稳定性1、牛顿流体及其粘度本构方程：dydvdtd凡流动行为符合牛顿流动定律的流体，称为牛顿流体，如水、甘油、高分子稀溶液等。特点：1）剪切应变与剪切应力大小有关，与剪切应力作用时间有关；2）形变不可恢复3）牛顿流体的粘度仅与流体的分子结构、温度和压力等有关，与切应力和切变速率无关η—粘度，粘性系数，动力粘度，(N·s/m2)1N·s/m2=1Pa·s=10P（泊）=1000cP（厘泊）液体内单位距离有1m/s速度差的速度梯度时，在垂直于该速度梯度方向的面上，沿速度方向每1m2面积产生1N力的应力时的粘度τ流动系数（fluidity）：流体流动的难易程度运动粘度v：液体单位质量密度（massdensity）的粘度v=η/ρ（St）1m2/s=104St=106cStSt—粘度为1P，质量密度为1g/cm3的流体的运动粘度条件粘度恩氏粘度：又称恩格勒(Engler)粘度，在规定温度下从恩氏粘度计流出200毫升试样所需时间与蒸馏水在20℃流出相同体积所需时间之比，Et。赛氏粘度：即赛波特(sagbolt)粘度，在规定温度下从赛氏粘度计流出200毫升试样所需时间，赛波秒（sayboltsecondsuniversal,ssu）。雷氏粘度：即雷德乌德(Redwood)粘度，在规定温度下从雷氏度计流出50毫升试样所需时间，秒。1cP与ssu间的换算关系液体分类ssu(s)范围cP换算式中粘度流体32~100(0.226t-195/t)γ中粘度流体100(0.220t-135/t)γ重粘度流体25~40(2.24t-184/t)γ重粘度流体40(2.16t-60/t)γ•剪切应力与剪切速率曲线为通过座标原点的关系曲线•假塑性流体：凹向剪切速率轴，原点与曲线上任一点连线的斜率随剪切速率增大而减小，表观粘度↓•胀流性流体：凸向剪切速率轴，原点与曲线上任一点连线的斜率随剪切速率增大而增大，表观粘度↑2、准粘性流体和表观粘度牛顿流体假塑性流体胀流性流体nk其中，k—稠度指数n—流动特性指数k、n均由实验确定n1时，假塑性流体n=1时，牛顿流体n1时，胀流性流体表观粘度（apparentviscosity）：非牛顿流体在某一剪切速率下的粘度某一剪切速率下得到的表观粘度不能用于判别其它剪切速率下的流动性塑性流体：3、塑性流体和准塑性流体y屈服应力塑性粘度(plasticviscosity)准塑性流体：HnHyK流动特性指数稠度指数Herschel-Bulkley方程卡生体—卡生公式：卡生塑性粘度：卡生屈服应力：5.05.0cocKK2ccAK2occAKCasson公式4、触变性和胶变性流体剪切速率的不同变化方向，导致相同剪切速率下对应两个不同的表观粘度，测试时需注意触变性—触稀性，摇溶性胶变性—触稠性，震凝性非牛顿流体：液体的应力、应变速率关系远比牛顿流体复杂应力、应变关系可能随应变速率和应变时间而变—粘弹性、倚时性粘弹性流体：同时具备粘性和弹性，是类液体、类固体特性的结合物料中既包含有液体特性的固体，也包含有固体特性的液体5、粘弹性流体211G2→粘性流动→弹性变形iwtmeiwtmeiw)()(21wGiwGeiweGGiwtmiwtmiwGwG)()()()(21wwGieiwwGiiwtmwGiw)()()(wiwwG→复数剪切模量→复数粘度动态剪切模量动态粘度粘弹性液体大多为链状高分子液体和溶液线性粘弹性：非线性粘弹性：),(),()()(TtfTtftftf),(),(tftf弹性变形与永久变形之比取决于应力作用时间和温度粘弹性液体的三个特点：•应力松驰•蠕变•弹性滞后粘弹性流体的特殊效应：•韦森堡（Weissenberg）效应•射流胀大（Barns,Merrington）效应•二次流动、反向流动•无管虹吸dD6、温度对粘度的影响•气体——温度↑，粘度↑•液体——温度↑，粘度↓，不同温度范围内的粘度变化幅度不同一般，流体的粘度随温度变化会发生很大的变化。对于牛顿流体、处于温度远高于玻璃化温度Tg或熔点的聚合物流体，其粘度近似符合Arrhennius方程：式中，A—常数，E—流动活化能，R—气体常数，T—绝对温度活化能的数值显著依赖于粘度的获得方式。不同温度下的粘度是在恒定切应力下获得，则E值基本上是一个与所选切应力无关的常数。不同温度下的粘度是在恒定切变速率下获得，则E值一般随切变速率的增大而减小。RTEAe/T＞（Tg+100℃）时，Arrhennius方程通常是适用的。T＜（Tg+100℃）时，可用Williams-Landel-Ferry（W-L-F）方程TTTTTTggggglog6.51)(44.17logTg≤T≤Tg+100在较低温度下，应使用W-L-F方程或其它类似方程，因其中有一项可调节的经验值ηg。符合Arrhennius方程的流体，其流动活化能几乎与温度无关。但对于符合W-L-F方程的流体，其表观活化能或粘度的温度系数，不仅取决于温度，而且还取决于玻璃化温度Tg。在低切变速率下，对于W-L-F方程，有：通过查表法可获得不同Tg和（T-Tg）值时的E值。当温度接近Tg时，E值变得非常大，Tg较大时尤为明显。223)6.51(1012.4)/1()(loggTTTTdRdEaMK][其中，K[η]、a为常数M为分子量05101520253035405060708090温度T/℃粘度η/(mPa/S)33.363mg/mL134.263mg/mL264.376mg/mL532.817mg/mL7、浓度对粘度的影响固体球形颗粒分散在粘度为μ的介质中时，由于固体颗粒阻碍流体自由运动，形成的悬浮体的粘度将大于原分散介质的粘度。粘度μs与体积分数φB的关系：低浓度悬浮体(12.5)SB适用于体积分数φB0.02的低浓度悬浮体22.52.7exp10.609BBSB适用范围为体积分数φB0.42的悬浮液2.5(1)SB多分散性球形固体颗粒较高浓度悬浮体的粘度公式•φB相同，μs微细粒＞μs粗细粒•悬浮体的粘度与颗粒的粒度、形状、分散状态等密切相关。7、浓度对粘度的影响020406080100020040060080010001200总糖含量C/(mg/mL)粘度η/(mPa/S)40℃60℃80℃cke畜禽废弃物浆液：)(1432bbbbbi—常数，i=1,2,3,4φ=AφF—絮状物体积分量指数（%）φF—絮状物体积分量(%)A—常数离散絮状物团状絮状物ePvD/RennPennDvk4138118.0Re0306.0：Re/16层流：ff紊流PDvfLP/22二、粘度的测试方法•毛细管粘度计•同轴圆筒粘度计•锥板粘度计•平板粘度计•塑性锥•扭转流动法•狭缝流动法•动态粘度测试法1、毛细管粘度计优点：1）装料容易；2）测试温度、切变速率容易调节3）切变速度及流动时流线的几何形状与实际工作条件相似缺点：1）切变速率不均一，沿毛细管径向发生变化2）必须对测定值进行修正方能得到正确的粘度值工作原理：采用活塞或加压的方法，使筒体中的流体通过毛细管挤出，用单位时间内从毛管挤出的流体量计算粘度的大小。测试范围：10-4~105PaS结构：玻璃毛细管粘度计—较低粘度加压型细管粘度计—较高粘度或非牛顿流体粘度依据粘度范围、测定目的、测定条件等选择不同的粘度计LqPR84LPRDvww28348RqDvw)(fLPRRrr200w0LrPτrPLr2)()2(2wdfPLrvdfPLdvfdrdv)(2)()(2)(wdfRdvrqwR023302)(LrRPrv4)()(22牛顿流体：243033384RvLPRRdRq测定不同压力下的流量，计算相应的剪切应力和剪切速率，并以剪切应力为纵坐标，以剪切速率为横坐标作图，直线斜率即为粘度哈根－泊肃叶定律准粘性流体：DvnkDvnnkDvnnkRvnnknnwnnnw8loglog8log413loglog841313nkf/1)(nnnnnnnnnwnrRkLPnnPkrRLnnrv11/111/12221)(21)(nnnnwRkLPnnRknnq13/13/121313Dvyw834yf)(塑性流体：ywwywyDvLPRqRqLPR348134124341834rRrrRLPrRrRLPvrrvrryyy244(r)const(r)22y22yywy44wywy4yy34183134180LPRLPRqqnnRQw41343loglogddnRLPPeRLPeRLRPw/2)/(2)(20Rabinowitsch修正：修正管壁处的切变速率牛顿流体：n=1非牛顿流体：Bagley修正：考虑毛细管入口处粘性和弹性效应所产生的非理想情况的影响相当于延长了毛细管的有效长度，其值大于实际长度。其中，Bagley改正因子e应与毛细管长度无关，但由于液体的弹性，因此e通常随L/R略有变化。P0相当于给定切变速率下毛细管长度为零时的压降。符合幂律，切应力与切变速率n次方成正比，n为常数，否则n为切变速率的函数Bagley改正因子e的测定方法：在恒定切变速率下测定几种不同长度毛细管的压降ΔP，将ΔP-L/R曲线外推至压降为零，可得e值。2、同轴圆筒粘度计工作原理：通过测定作用于转筒上的转矩和转速来测定低粘度流体的粘度，很少用于高粘度流体的粘度测定。优点：1）内外筒间隙很小时，不同部分的切变速率接近均一2）仪器易校准，改正量较小缺点：1）粘性物料装料困难2）圆筒转动产生的法向应力会使非牛顿流体沿内筒轴上爬3）可测定切变速率较小，而实际切变速率较大xxRRhM2221114hRMxx22)(22122