4.1流變學的介紹 Webster’s Dictionary定義流變學為 "材料的流動與形變的研究，其中包含彈性，黏度，和塑性。" 在這章中，我們定義黏度為 “流體分子的吸引力所引起的內在摩擦力，此摩擦力會抵抗流體的流動。" 你的Brookfield黏度計測量此摩擦力，然后作為研究流變學的工具。此章的目的是要使你了解不同形式的流動行為以及使用Brookfield黏度計作為研究流變行為的儀器以幫助你處理任何真實流體的分析。這項信息對于黏度計的使用者提供相當的幫助，特別是對于以黏度測量作為理論和學術方面探討的研究者而言。 4.2黏度 黏度是測量流體內在摩擦力的所獲得的數值。當某一層流體的移動會受到另一層流體移動的影響時，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）"。剪切發生的條件為當流體發生物理性地移動或分散，如傾倒、散布、噴霧、混合等等。高黏度的流體比低黏度的材料需要更大的力量才能造成流體的流動。 牛頓以圖4-1的模式來定義流體的黏度。兩不同平面但平行的流體，擁有相同的面積"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于流體的相對速度或速度梯度，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的剪切，我們將它稱為"剪速（shear rate）"，以S表示；其單位為時間倒數（sec-1）。 F/A項代表了單位面積下，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1 sec-1下的黏度為100 poise。測量黏度時，你可能會遭遇到黏度的單位為 “Pa˙s" 或 “mPa˙s" 的情況，此為標準系統，且有時較被公制命名所接受。1 Pa˙s等于10 poise；1 mPa˙s等于1 cp。 牛頓假設所有的材料在固定溫度下，黏度與剪速是沒有相關的，亦即兩倍的力量可以幫助流體移動兩倍的速度。 就我們所知，牛頓的假設只有部分是正確的。 4.3牛頓流體 牛頓稱具有此形式流動行為的所有流體，皆稱為"牛頓（Newtonian）"，然而這只是你可能遭遇到的流體中的其中一種而已。牛頓流體的特性可參考圖4-2；圖A顯示剪力（F）和剪速（S）之間為線性關系；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與稀薄的機油。 上述代表的意義即為在固定溫度下，不論你所使用的黏度計型號、轉子、轉速為何，牛頓流體的黏度皆保持一定。標準Brookfield黏度值為以Brookfield儀器在某一剪速范圍內所測之值，這就是為什么牛頓流體可以在所有我們的黏度計型號下操作。牛頓流體明顯地為較為容易測量的流體－只要拿出你的黏度計并操作它即可。不幸的是，更常見且更復雜的流體－非牛頓流體，我們將在下一節中介紹。 4.4非牛頓流體 非牛頓流體概略的定義為F/S的關系不為常數，亦即當施予不同的剪速，剪力并不隨著相同比例變化（或甚至同一方向）。這些流體的黏度會受到不同剪速的影響，同時，不同型號黏度計的設定參數、轉子、轉速都會影響到非牛頓流體的黏度值。此測量的黏度值稱為流體的"表觀黏度（apparent viscosity）"，其值為正確的只有當實驗的參數值被正確的設定且的測得。 非牛頓流體流動可以想象成流體為不同形狀和大小的分子所組成，當它們流經彼此，亦即流動發生時，需要多少力量才能移動它們將取決于它們的大小、形狀及黏著性。在不同的剪速下，排列的方式將會不同，而且需要更多或更少的合力才能保持運動。 辨別不同非牛頓流體的行為，可由剪速的差異得到流體黏度的變化，常見非牛頓流體的形式包括： 擬塑性的（pseudoplastic）：此形式流體的特性為當剪速增加時，會伴隨著流速的減少，如圖4-3，其可能為較為常見的非牛頓流體。擬塑性流體包括油漆、乳液和各種不同形式的流體。此類流體的行為有時候可稱為"shear thinning"。 膨脹性的（diltant）：膨脹性的流體其特性為流速隨著剪速的增加而增加，如圖4-4。雖然膨脹性流體不如擬塑性流體常見，然而膨脹性流體?？捎纱嬖谟胁粫奂腆w的流體中看到，如泥漿、糖果合成物、玉米淀粉類與水的混合物以及沙/水混合物。此類流體的行為也可稱為"shear thickening"。 塑性的（plastic）：此類流體的行為就如同固體處在靜電的環境中。在流體流動前，我們就必須先施予流體某一力量，此力量稱為“屈服力（yield value）"。此類流體典型的例子為蕃茄醬，其產值造成蕃茄醬無法直接從罐子中倒出，除非我們先搖動或敲擊。當產值*過上限值時，流體開始流動。塑性流體包含有牛頓流體、擬塑性流體、膨脹性流體的特性，如圖4-5所示。 到目前為止我們只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，有會有什么問題發生此問題使得我們必須討論其它兩類非牛頓流體："搖變性的（thixotropic）" 和 “流變性的（rheopectic）"。 4.5搖變性和流變性 一些流體在相同剪速下放置一段時間，其黏度會隨著時間有所變化，具有此現象的流體可分為兩類： 搖變性：如圖4-6所示，搖變性流體在相同剪力下，其黏度會隨著時間的增加而下降。 流變性：此性質與搖變性質正好相反，此類流體在相同剪速下，其黏度會隨著時間的增加而增加，如圖4-7所示。 在流體中，搖變性與流變性質有可能與先前提到的流體行為同時發生，或發生在某些特定的剪速下。時間對于流體的影響變異極大；在相同的剪速下，一些流體達到其終端速度可能約幾秒鐘，而有些可能就必須幾天的時間。 具有流變性質的流體并不常遇到，然而具有流變性質的流體則常可從油脂、印刷染料、油漆中看到。 當我們改變搖變性質流體的剪速時，其行為如圖4-8所示。在剪力對剪速的作圖中，剪速會先增加至某一數值，然后立刻下降至起始點。注意"上升"與"下降"曲線并不為同一條。此"磁滯循環（hysteresis loop）"為流體流速的減小伴隨著剪切時間的增加所造成，此效應可能或不可能為可逆的；一些搖變性流體如果允許一段時間的不擾動，將能回到其初始速度，然而一些流體則否。 當然，具有流變性質的流體在黏度測量技術上具有很深遠的影響，在4-7節中我們將討論這些效應，及處理這些效應的方法。第五章中將介紹以**的數學技巧分析不同狀況下的流體行為，然而，我們將先討論層流（laminar）和紊流（turbulent）對于黏度測量的影響。 4.6層流和紊流 黏度的定義暗示了"層流"的存在：流體流動時，每一層間不存在有物質的傳送，黏度的行為即為這些層間的摩擦力。 基于很多因素下，有些流體在較為大流速時，每一層流體間會受到另一層流體移動的影響，同時質量傳送亦會發生，此稱為"紊流"。在此過程中，分子或更大的粒子從某一層跳躍至另一層，并不斷的釋放能量。此現象的結果即在同一速度下，紊流必須比層流輸入更多的能量，才能繼續保有此一現象。 在與層流相同的剪速下，此額外輸入的能量，可以經由明顯變大的剪力觀察出來，此結果會導致得到較高速度的讀數。 由層流轉變為紊流的臨界點受到很多因素影響，除了造成流體流動的流速以外。材料的流速、比重、黏度計轉子的形狀和樣品槽都會影響此臨界點。 分辨紊流和膨脹性流體的行為需要非常小心（參照4.4節）。通常具有膨脹性質的材料，其黏度會隨著剪速的增加而持續地增加；紊流的特性則為在特定剪速下，黏度會突然且不間斷地增加。在臨界點以下時，材料的流動行為可能為牛頓或非牛頓行為。 由于大部分Brookfield黏度計是在相對上較低剪速下操作，因此你基本上不太可能遭遇到紊流的情況，除非你使用LV系列黏度計測量黏度流體黏度小于15cp，或其余型號的黏度計測量黏度低于85cp。流體的黏度愈高，愈不可能有紊流的情況發生。如果測量低黏度流體時發生紊流的現象，可以使用附屬的*低黏度接頭消除紊流現象（參照2.1.5節）。 4.7什么因素影響流變性質？ 黏度的數據通常具有"透視（window through）"的功能，材料的其余性質可以經由黏度獲得。由于黏度比其它性質更容易測量，因此黏度可以作為判別材料特性的工具。在這章的前半段，我們討論了不同型式的流變行為及判斷它們的方法，經由材料流變性質的判定，你可能會想了解這項信息暗示了材料的哪些特性。在這一節中，我們搜集了多年來顧客使用黏度計所遇到"難題"的經驗，并讓你知道你的黏度計是如何神奇地幫助你解決這些問題。 4.7.1溫度 較為有可能影響材料流變行為的其中一種因素為溫度。一些材料對于溫度非常敏感，且對于黏度變化會出現相對較小的變異；另外一些材料則對于溫度具有較小的敏感性。溫度效應對于黏度的影響在材料材料使用及制程上的判別上是基本的，此類材料如機油、油脂和熱融性黏著劑。 4.7.2剪率 非牛頓流體傾向為一個規則，而不是真實普遍之外的例子，且其提供了研究流變學應用的人們對于剪率效應的認識。例如若將膨脹性流體輸入系統中，雖然其只是單單將固體打入泵中，但卻會對系統帶來異常的終止。雖然這是一個的例子，然而剪率對于系統影響的重要性確實是不能被低估的。 當材料必須在不同的剪率下使用時，先了解操作剪率下的黏度行為是基本的，如果你不了解這些行為，至少需先做估計，黏度測量應該要在預估的剪速值與真實數值相近下操作才有意義。 測量黏度時，若剪率的范圍在黏度計以外時，此時是不可能大略測出剪率值的，在此情況下，我們就必須在不同剪率下測量黏度值，再以外插得到欲操作剪速下的黏率值。這雖然不為較為的方法，但確為獲得黏度信息的*替代方法，特別是當欲操作剪率特別高時。事實上，在多個不同剪率下作黏度的測量以觀察程序或使用上的流變行為才是適當的。如果不知道樣品剪率值或剪率不重要時，以速度和轉速作圖即已足夠。 材料在制程或使用上會受到剪率影響的例子有：油漆、化妝品、乳液、涂布、一些食品和人類循環系統中的血液，下表為流體不同剪速下的典型例子： 狀況 典型的剪率范圍（s-1） 應用懸浮溶液中沉淀的微細粒子 10-6-10-4 藥品，油漆表面張力造成的液面水平現象 10-2-10-1 油漆，印刷墨水重力影響下的排水現象 10-1-101 油漆，涂布，廁所的漂白劑擠出機 100-102 高分子咀嚼和吞咽 101-102 食物含浸涂布 101-102 油漆，糖果制造混合和攪拌 101-103 液體制造管路輸送 100-103 打氣，血液流動噴霧和刷凈 103-104 噴霧干燥，油漆，燃料霧化摩擦 104-105 乳脂的應用及化妝水在皮膚上的行為在流體中研磨染料 103-105 油漆，印刷墨水高速涂布 105-106 紙潤滑 103-107 石油工業 4.7.3測量狀況 材料在測量黏度時的狀況可以想見對于測量的結果會有影響，因此在作測試時，對于環境的控制與了解是非常重要的。*， 在3.3節中提到的黏度測量技術必須確實實行。測試的參數，包括黏度計型號、轉子/轉速的組合、樣品槽大小、有無腳架存在、樣品溫度、樣品制備技術等等，所有參數不止會影響到測量的準確性，同時會影響你所測量材料的真實黏度。第二， 其余影響黏度較不明顯的因素也要考慮到，例如對于壓力敏感的樣品，如牙齒模子材料，熔爐的氣流，熔渣，血液和黏液，這些材料在測試時的壓力控制是必須的。 另外一個可能影響黏度測量結果的因素樣品的均勻度。若能提高樣品的均勻度，則容易得到一致的結果，然而大部分的材料都有趨向分為非均勻層的性質，所以在你做攪拌或搖晃樣品的動作時，小心不要太嚴重擾動樣品。 4.7.4時間 在剪切的環境下，時間明顯地影響材料的搖變性質和流變性質，但是就算樣品不受剪力影響，其黏度仍會隨著時間而改變，因此在選擇與準備樣品作黏度測量時，時間的效應是必須做考量的，此外，當樣品在程序中有產生化學反應時，材料的黏度也會有所變化，因此在反應某一段時間所做的黏度測量與另依時間所做的結果會有所不同。 4.7.5壓力 壓力的變化可能會造成：分解氣體產生氣泡；擴散或氣體的進入造成體積的改變，和紊流現象。壓力影響并不如其它參數般常見，其會壓縮流體，增加分子內的阻力。在高壓下，液體會受到壓力壓縮所影響，此現象與氣體相同，然程度上較小，亦即增加壓力會增加黏度，如下述例子：高濃度的泥漿（粒子體積約占70-80%以上），其不含有足夠的液體，使液體不能*進入粒子間的空隙中，導致了三相系的形成（即固體、液體和通常是空氣）。由于空氣的存在，混合物因此可壓縮，亦即你壓縮更多，流動的阻力愈大。 4.7.6前處理 在樣品測量黏度前，前處理可能會影響黏度測量的結果，特別是流體會受到熱或時間的影響，亦即樣品保存狀況和樣品準備技術必須設計將影響黏度效應的因素減至較為低，特別是搖變性材料會受到準備工作的影響，如攪拌、混合、傾倒、或是其它可能使樣品產生剪切的動作。 4.7.7組成和添加物 材料的組成是影響黏度的一個參數，當組成改變后，不管是組成物質的比率或其它物質的添加，黏度的改變都是可能的。 4.7.8 分散相及凝膠劑之特定特征 分散相及凝膠為在液相中散布有一種或多種固相的多相物質，并可藉一系列的參數因子影響其流變性質。此外有很多因子都已在先前探討過，具特征性質的多相物質亦為此類因子效應之一，我們討論如下。 主要的特征性質研究著重于物質試樣的凝聚狀態。是否有粒子的出現使固相分離或區隔出來，或者它們凝聚變厚程度；多大的凝塊狀？又緊密及黏著程度如何？假若凝塊（如絮狀）于分散相中占有很大的體積，則黏度于此狀態下將趨向于比占據較小體積者為大。這是因為在分散相中所需消耗固態物質的力量變大。 當如絮物質在分散相中凝結時，凝結的應力反應導致了shear-thinning（凝塑性流體）而在較小的應變時凝聚效應可能發生變化，但它依然還是完整的狀態，當應變增加時聚集效應可能被破壞而形成單獨的如絮物以降低摩擦和黏度（有關凝塑性流體的現象可參見第4.4節） 假設凝聚態的鍵結力量十分強大的話，那么系統有可能會顯現出“yield value“（參見第4.4節中關于塑性流體的部份），而這巨大的yield value來自于打斷這些鍵結所需的力量。 假若物質的膠結結構隨時間而遭外加應力破壞的話，我們可以觀察到一個關于時間函數形態的流體行為（參見第4.5節），如果在一些甚至是全部的凝聚態結構遭破壞時則應變會變小，而物質的黏度可能要比先前在相同黏度下為低。因為如絮勿在破壞后開始產生聯結，此聯結速率大小所需的時間影響可使黏度到達先前大小，假如再聯結速率夠快的話，則黏度將會顯現出和先前一樣。相反的話，再聯結速率慢，黏度將會變小，這種在流變學行為導致的結果稱為“搖溶現象“（參見第4.5節）。 在分散相中所受的引力大于物質介于分散相及液相中所表現出的界面力，這將間接影響系統的流變行為。然而，系統中凝聚或非凝聚的媒介誘因是一種控制流變行為的方法。 構成分散相中的粒子形狀也可藉此量測系統的流變行為。在一個流動介質環境下，靜止的粒子為一轉動態。如果粒子本身為球狀的話，轉動會自發。然而，如果粒子是針狀或平板狀的話，則轉動的發生就很難預測，因其受眾多應變效應影響。 當在一個多相系統中量測黏度時，分散相的穩定度為一特殊的臨界參考。假若分散相傾向于較穩定的話，則產生一非均質流體，而系統的特征流變性質也將隨之改變。在大部分的例子里，這表示量測的黏度值將變小。而在這期間所量測的值通常都為偏差值，我們必須留心并仔細確定靜止時的分散相性質。