第四章 流变学与粉体学1

第四章流变学与粉体学Rheologyandmicromeritics栾立标Tel:13814039526第一节流变学（Rheology）一、概述（一）流变学:研究在外力作用下物质变形和流动的一门科学。1.变形(deformation)固体物质的形状和体积的改变。●弹性变形:外力去除后完全恢复原状变形，为可逆性变形。●塑性变形:为非可逆变型。2.流动或流变(Flow)流体没有确定形状、且不能恢复的变形。流动可视为一种非可逆变形的过程。HooK’s定律：S=F/A=G[(Ls-Lo)/Lo]=G式中：F为作用力，A为力作用的面积。Lo为初始长度，Ls为力作用拉伸后的长度。●G称为弹性模量。1/G称为可拉伸长度。●S=F/A为应力(stress):单位面积上的内力(与外力向对应)●=(Ls-Lo)/Lo为应变(strain)：应力引起的变形。如聚苯乙稀G为3.41010，明胶G为2.4106，前者硬度大，易破碎。后者的韧性大，不易破碎。Newton’s定律：S＝F/A＝（d/dr）＝D●F/A：剪切应力(shearingforce，简写为S)单位Nm-2。●d/dr：剪切速率（rateofshear，简写为D）单位s-1。●:粘度(viscosity)单位用Pas。是流体相邻两层质点间作相对运动时所产生的内摩擦力或阻力，流体这种性质为粘性。●牛顿流体:服从上述牛顿定律的流体。或称粘性流体●非牛顿流体:不符合牛顿定律的流体。大部分流体是非牛顿流体。（四）粘弹性（viscoelasticity）：1、粘弹性：物质具有弹性和粘性的双重性质。如高分子物质或分散体系是粘弹性物质。2、粘弹性物质的流变特点：主要表现在应力松弛和蠕变两个方面，具有时间效应。●应力松弛（stressrelaxation）：材料在恒定应变下，样品内部的应力随时间而减小的现象。●蠕变(creep)：物质恒定应力作用下，变形随时间而增大的现象。二、流变性质（一）牛顿流动S＝F/A＝（dv/dr）＝D如水、乙醇、氯仿和蓖麻油等。（二）非牛顿流动1、塑性流动（plasticflow）D＝（S-S0）／aS0：致流值或屈服值（yieldvalue),网状结构破坏a为非牛顿流体的表观粘度(apparentviscosity)。塑性流动有浓度较高的乳剂、混悬剂、单糖浆、涂剂等。2、假塑性流体(pseudoplasticflow,quasi-plasticflow):D＝Sn/a(1n)a为表观粘度，随D的改变而改变；n是指数。剪切稀化效应如甲基纤维素、西黄嗜胶、海藻酸钠等水溶液。pseudoplasticflowquasi-plasticfloworpseudo-viscousfluid3、胀性流动（dilatantflow）D＝Sn/a0n1;a为表观粘度.如滑石粉或淀粉等混悬液剪切增稠-胀容作用。紧密排列疏松排列，失去水润滑作用。三、触变性(thixlotropy)1、概念：非牛顿流体流动时，当外力停止或减小后，体系粘度随时间恢复原状的性质。凝胶-溶胶-凝胶的可逆转变。流动曲线的特性:环状滞后曲线。如普鲁卡因青霉素注射液缓释作用和某些软膏剂。四、流变学性质的测定：(D)=S/D●牛顿流体：用D一定的粘度计测定。如毛细管黏度计或落球粘度计。●非牛顿流体：用可测不同D的粘度计测定旋转粘度计：一定转速下，测定产生的力矩，应变控制型（Couette型，如同心双筒式）。另一种是施加一定力矩，测量产生的旋转速度，应力控制型（Searle型，如锥板式，平行板式），适用高粘度样品。●半固体制剂：针入度计（penetrometer)：测定稠度。用0.1mm为一个针入度单位，合格200～400单位。平板伸展仪：测定软膏的延展性。第二节粉体学micromeritics●粉体学：研究微粉各种理化性质的科学。●粉体（powder）是指固体粒子(particles)的集合体。粒子：单个粒子与聚结粒子,0.1m~数mm。SizeNameSizeName100mGranuleorParticle3mmBrokensolid3mm-100mGranularmaterial0.1~100mpowder100-10mGranularpowder10-1mSuperfinepowder1~0.1mUltrafinepowder0.1mNanoparticleTableClassficationofpowder一、粒子的大小与分布（一）粒子大小1、粒径表示法有如下几种：（1）几何学粒径：三轴径（长、短、高）；定方向径（2）等价径（equivalentdiameter)：与粒子的表面积或体积等相同的球体直径。●体积等价径Dv，库尔特计数器●比表面积等价径Dsv●圆面积等价径DH●圆周长等价径DL（3）沉降速度相当径：Dstk（4）筛分径:细孔通过相当径,粗细筛孔直径的算术或几何平均径DA。2、平均粒径（1）算术平均径(arithmeticmeandiameter)：dln=(nd)/ndn1,n2,------nn是粒径为d1,d2,------dn的粒子数。(2)长度平均径：dsl=(nd2)/(nd)(3)面积平均径:dvs=(nd3)/(nd2)(4)重量平均径：dw=(nd4)/(nd3)(5)众数径(modediameter):频率分布最多的粒子直径(6)中位径（mediumdiameter):累积中间值（D50）（二）粒子大小分布●频率分布：各粒径范围内粒子百分率表示。表格或图表示。●累积分布：大于或小于某粒径的粒子所占百分率。●百分数基准：数、质量、面积、体积、长度（三）粒径测定方法1、筛析法：将筛从上到下由粗到细排列，筛析，求各粒径范围内粒子的重量百分率。筛目：孔数/英寸(25.4mm)粗大粒子45m的测定。2、显微镜法：●光学定方向径0.5m测定粒子数一般500个较均匀200个●电子0.001m以上3、沉降法：dstk，1-100m4、电感应法(库尔特计数器)：利用电阻与粒子的体积成正比的关系将电信号换算成粒径。0.6-600m二、粒子的形态和比表面积：（一）形态：用球形、针状、多角形、棱状、片状等描述，但很难精确地描述。1、形状指数(shapeIndex，)，球为1。●球形度（degreeofsphericility,)s=粒子投影面相当径／粒子投影面最小外接圆直径●圆形度（degreeofcircularity,o)o=DH/LDH－粒子的投影面积圆等价径，L－粒子的投影周长。2、形状系数（shapefactor)●体积形状系数v:v＝V／D3球的v为/6●表面积形状系数s:s＝S/D2球的s为●比表面积形状系数:＝s/v球为6（二）比表面积(specificsurfacearea)指单位重量（或体积）粉粒所具有的表面积Sw(或Sv).Sw＝s/w=6/dSv=s/v=6/ds-粒子总表面积；w总重量；v总体积；d粒径；粒密度。气体吸附法测定B.E.T.式：P1C-1P___________=_________+________•_______V(Po-P)VmCVmCPoV为P压力下1g粉体吸附气体的容积，P为吸附平衡时气体的压力，Po为实验温度下吸附气体的饱和蒸汽压，C为吸附有关的常数，Vm为粉粒的表面形成单分子层所需气体的容积。P/V(Po-P)对P/Po作图,由直线的斜率和截距计算出Vm.Sw＝A•Vm/22400•6.02×1023A气体分子的断面积；（氮气A＝0.162nm2/mol)另外，气体透过法,溶液吸附法测定三、粉体的密度和空隙率（一）密度：1、真密度（turedensity)t：t=W/Vt氮气置换法2、粒密度(granuledensity)g:g=W/Vg多用汞置换法3、堆密度法又称松密度(bulkdensity)b：b=W/Vb量筒法式中：W粉体重量；Vt真体积（粒子本身容积）；Vg粒体积(Vt+粒子内孔隙)；Vb堆体积(Vg+粒子间孔隙)-松体积、紧体积、振实体积（二）粉粒的孔隙率(Porosity,)指粉体层中孔隙所占有的比率。一般指总孔隙率。内=(Vg-Vt)/Vg=1-(Vt/Vg)间＝(Vb-Vg)/Vb=1-(Vg/Vb)总＝(Vb-Vt)/Vb=1-(Vt/Vb)（三）充填性（packability）b总充填率g=Vt/V=1-总四、粉体流动性(Fluidity，flowability)（一）休止角(angleofrepose,)tan=H/r1、注入法（固定漏斗法）2、排出法3、倾斜角法（倾斜箱法）30°，其流动性好；40°，其流动性不好。（二）流速（Flowrate）测定一定量的粉粒通过孔（或管）流出所需时间。（三）压缩度（compressibility,C):C=(f-0)/f100%0为粉体松密度；f轻敲量筒法的最紧密度。C20%,流动性好；C达到40－50％，粉体很难流出容器。（四）影响粉粒流动性的因素1、其本身的特性2、粒径大小及分布:200um休止角小，流动性好；100--200um过渡阶段;100um流动性差。3、含湿量：4、粒子形态：5、加入其它成分影响：6、电荷的影响：五、粉粒的润湿性和吸湿性（一）润湿性(wetting）液体在固体表面的粘附现象。接触角90°不易润湿；90°易于润湿。Washburn式:相对湿润性rcosh2=------------t2h-t时液体上升高度；为液体的表面张力与粘度；r粉体毛细管半径。（二）吸湿性临界相对湿度(CRH)●吸湿性指标●贮存、生产环境的依据●选择防湿性辅料的依据