第六、七章 流變學(xué)與粉體學(xué)1

第四章流變學(xué)與粉體學(xué)Rheologyandmicromeritics

欒立標(biāo)Tel一節(jié)流變學(xué)（Rheology）一、概述（一）流變學(xué):研究在外力作用下物質(zhì)變形和流動(dòng)的一門科學(xué)。1.變形(deformation)固體物質(zhì)的形狀和體積的改變。●彈性變形:外力去除后完全恢復(fù)原狀變形，為可逆性變形?！袼苄宰冃?為非可逆變型。2.流動(dòng)或流變(Flow)流體沒(méi)有確定形狀、且不能恢復(fù)的變形。流動(dòng)可視為一種非可逆變形的過(guò)程。

HooK’s定律：

S=F/A=G[(Ls-Lo)/Lo]=G

式中：F為作用力，A為力作用的面積。Lo為初始長(zhǎng)度，Ls為力作用拉伸后的長(zhǎng)度?！馟稱為彈性模量。1/G稱為可拉伸長(zhǎng)度?！馭=F/A為應(yīng)力(stress):單位面積上的內(nèi)力(與外力向?qū)?yīng))●

=(Ls-Lo)/Lo為應(yīng)變(strain)：應(yīng)力引起的變形。如聚苯乙稀G為3.4

1010，明膠G為2.4

106，前者硬度大，易破碎。后者的韌性大，不易破碎。

Newton’s定律：

S＝F/A＝

（d

/dr）＝

D●F/A：剪切應(yīng)力(shearingforce，簡(jiǎn)寫為S)單位N

m-2?！馾

/dr：剪切速率（rateofshear，簡(jiǎn)寫為D）單位s-1?！?粘度(viscosity)單位用Pa

s。是流體相鄰兩層質(zhì)點(diǎn)間作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力或阻力，流體這種性質(zhì)為粘性?！衽ｎD流體:服從上述牛頓定律的流體?；蚍Q粘性流體●非牛頓流體:不符合牛頓定律的流體。大部分流體是非牛頓流體。（四）粘彈性（viscoelasticity）

：

1、粘彈性：物質(zhì)具有彈性和粘性的雙重性質(zhì)。如高分子物質(zhì)或分散體系是粘彈性物質(zhì)。

2、粘彈性物質(zhì)的流變特點(diǎn)：主要表現(xiàn)在應(yīng)力松弛和蠕變兩個(gè)方面，具有時(shí)間效應(yīng)?！駪?yīng)力松弛（stressrelaxation）：材料在恒定應(yīng)變下，樣品內(nèi)部的應(yīng)力隨時(shí)間而減小的現(xiàn)象。

●蠕變(creep)：物質(zhì)恒定應(yīng)力作用下，變形隨時(shí)間而增大的現(xiàn)象。

二、流變性質(zhì)（一）牛頓流動(dòng)S＝F/A＝

（dv/dr）＝

D

如水、乙醇、氯仿和蓖麻油等。（二）非牛頓流動(dòng)1、塑性流動(dòng)（plasticflow）

D＝（S-S0）／

a

S0：致流值或屈服值（yieldvalue),網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破壞

a為非牛頓流體的表觀粘度(apparentviscosity)。塑性流動(dòng)有濃度較高的乳劑、混懸劑、單糖漿、涂劑等。2、假塑性流體(pseudoplasticflow,quasi-plasticflow):D＝Sn/

a(1<n<)

a為表觀粘度，隨D的改變而改變；n是指數(shù)。剪切稀化效應(yīng)如甲基纖維素、西黃嗜膠、海藻酸鈉等水溶液。pseudoplasticflow

quasi-plasticfloworpseudo-viscousfluid

3、脹性流動(dòng)（dilatantflow）

D＝Sn/

a

0<n<1;

a為表觀粘度.

如滑石粉或淀粉等混懸液剪切增稠-脹容作用。緊密排列疏松排列，失去水潤(rùn)滑作用。三、觸變性(thixlotropy)

1、概念：非牛頓流體流動(dòng)時(shí)，當(dāng)外力停止或減小后，體系粘度隨時(shí)間恢復(fù)原狀的性質(zhì)。凝膠-溶膠-凝膠的可逆轉(zhuǎn)變。

流動(dòng)曲線的特性:環(huán)狀滯后曲線。如普魯卡因青霉素注射液緩釋作用和某些軟膏劑。四、流變學(xué)性質(zhì)的測(cè)定：

(D)=S/D

●牛頓流體：用D一定的粘度計(jì)測(cè)定。如毛細(xì)管黏度計(jì)或落球粘度計(jì)。

●非牛頓流體：用可測(cè)不同D的粘度計(jì)測(cè)定

旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)：一定轉(zhuǎn)速下，測(cè)定產(chǎn)生的力矩，應(yīng)變控制型（Couette型，如同心雙筒式）。另一種是施加一定力矩，測(cè)量產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)速度，應(yīng)力控制型（Searle型，如錐板式，平行板式），適用高粘度樣品?！癜牍腆w制劑：針入度計(jì)（penetrometer)：測(cè)定稠度。用0.1mm為一個(gè)針入度單位，合格200～400單位。平板伸展儀：測(cè)定軟膏的延展性。

第二節(jié)粉體學(xué)micromeritics●粉體學(xué)：研究微粉各種理化性質(zhì)的科學(xué)?！穹垠w（powder）是指固體粒子(particles)的集合體。粒子：?jiǎn)蝹€(gè)粒子與聚結(jié)粒子,0.1m~數(shù)mm。SizeNameSizeName>100mGranuleorParticle>3mmBrokensolid3mm-100mGranularmaterial0.1~100mpowder100-10mGranularpowder10-1mSuperfinepowder1~0.1mUltrafinepowder<0.1mNanoparticleTableClassficationofpowder一、粒子的大小與分布（一）粒子大小1、粒徑表示法有如下幾種：（1）幾何學(xué)粒徑：三軸徑（長(zhǎng)、短、高）；定方向徑（2）等價(jià)徑（equivalentdiameter)：與粒子的表面積或體積等相同的球體直徑。

●體積等價(jià)徑Dv，庫(kù)爾特計(jì)數(shù)器

●比表面積等價(jià)徑Dsv●圓面積等價(jià)徑DH

●圓周長(zhǎng)等價(jià)徑DL（3）沉降速度相當(dāng)徑：Dstk

（4）篩分徑:細(xì)孔通過(guò)相當(dāng)徑,粗細(xì)篩孔直徑的算術(shù)或幾何平均徑DA。2、平均粒徑（1）算術(shù)平均徑(arithmeticmeandiameter)：dln=

(nd)/

nn1,n2,------nn是粒徑為d1,d2,------dn的粒子數(shù)。(2)長(zhǎng)度平均徑：dsl=

(nd2)/

(nd)(3)面積平均徑:dvs=

(nd3)/

(nd2)(4)重量平均徑：dw=

(nd4)/

(nd3)(5)眾數(shù)徑(modediameter):頻率分布最多的粒子直徑(6)中位徑（mediumdiameter):累積中間值（D50）（二）粒子大小分布●頻率分布：各粒徑范圍內(nèi)粒子百分率表示。表格或圖表示。

●累積分布：大于或小于某粒徑的粒子所占百分率。

●百分?jǐn)?shù)基準(zhǔn)：數(shù)、質(zhì)量、面積、體積、長(zhǎng)度（三）粒徑測(cè)定方法1、篩析法：將篩從上到下由粗到細(xì)排列，篩析，求各粒徑范圍內(nèi)粒子的重量百分率。篩目：孔數(shù)/英寸(25.4mm)

粗大粒子>45

m的測(cè)定。2、顯微鏡法：●光學(xué)定方向徑>0.5

m

測(cè)定粒子數(shù)一般>500個(gè)較均勻>200個(gè)

●電子0.001

m以上3、沉降法：dstk

，1-100

m4、電感應(yīng)法(庫(kù)爾特計(jì)數(shù)器)：利用電阻與粒子的體積成正比的關(guān)系將電信號(hào)換算成粒徑。0.6-600

m二、粒子的形態(tài)和比表面積：（一）形態(tài)：用球形、針狀、多角形、棱狀、片狀等描述，但很難精確地描述。

1、形狀指數(shù)(shapeIndex，

)，球

為1?！袂蛐味龋╠egreeofsphericility,

)

s=粒子投影面相當(dāng)徑／粒子投影面最小外接圓直徑●圓形度（degreeof

circularity,

o)

o=

DH/LDH－粒子的投影面積圓等價(jià)徑，L－粒子的投影周長(zhǎng)。

2、形狀系數(shù)（shapefactor)●體積形狀系數(shù)

v:v＝V／D3球的v為/6●表面積形狀系數(shù)

s:s＝S/D2

球的s為●比表面積形狀系數(shù)

:＝s/v

球?yàn)?（二）比表面積(specificsurfacearea)

指單位重量（或體積）粉粒所具有的表面積Sw(或Sv).Sw＝s/w=6/d

Sv=s/v=6/ds-粒子總表面積；w總重量；v總體積；d粒徑；

粒密度。氣體吸附法測(cè)定

B.E.T.式：P1C-1P___________=_________+________

?_______V(Po-P)VmCVmCPo

V為P壓力下1g粉體吸附氣體的容積，

P為吸附平衡時(shí)氣體的壓力，Po為實(shí)驗(yàn)溫度下吸附氣體的飽和蒸汽壓，C為吸附有關(guān)的常數(shù)，Vm為粉粒的表面形成單分子層所需氣體的容積。

P/V(Po-P)對(duì)P/Po作圖,由直線的斜率和截距計(jì)算出Vm.

Sw＝A?

Vm/22400?

6.02×1023A氣體分子的斷面積；（氮?dú)釧＝0.162nm2/mol)另外，氣體透過(guò)法,溶液吸附法測(cè)定三、粉體的密度和空隙率（一）密度：1、真密度（turedensity)

t：

t=W/Vt

氮?dú)庵脫Q法2、粒密度(granuledensity)

g:

g=W/Vg

多用汞置換法3、堆密度法又稱松密度(bulkdensity)

b：

b=W/Vb

量筒法式中：W粉體重量；

Vt

真體積（粒子本身容積）；

Vg粒體積(

Vt+粒子內(nèi)孔隙)；

Vb

堆體積(Vg+粒子間孔隙

)-松體積、緊體積、振實(shí)體積

（二）粉粒的孔隙率(Porosity,

)

指粉體層中孔隙所占有的比率。一般指總孔隙率。

內(nèi)=(Vg-Vt)/Vg=1-(Vt/Vg)

間＝(Vb-Vg)/Vb=1-(Vg/Vb)

總＝(Vb-Vt)/Vb=1-(Vt/Vb)（三）充填性（packability）

b

總

充填率g=Vt/V=1-總

四、粉體流動(dòng)性(Fluidity，flowability)（一）休止角(angleofrepose,)

tan

=H/r1、注入法（固定漏斗法）

2、排出法

3、傾斜角法（傾斜