材料是個(gè)復(fù)雜的東西，庖丁解牛，也得割下去第一刀。任何物質(zhì)或者材料，只要你可以把它變成軟物質(zhì)，利用流變儀都可以測(cè)量，所謂萬(wàn)物可測(cè)。那么流變學(xué)測(cè)試，第一刀從哪里下手呢？先了解幾個(gè)基本概念。

流動(dòng)的測(cè)量

4.1 流動(dòng)的意義

吃個(gè)飯，咀嚼吞咽，蠕動(dòng)，消化吸收，排泄，要靠流動(dòng)。血液輸送營(yíng)養(yǎng)和氧氣，修補(bǔ)細(xì)胞和器官，靠流動(dòng)。

原油開(kāi)采，高壓裂解，原油輸送，煉化，形成汽油，支撐汽車(chē)，船舶，航空器自由運(yùn)轉(zhuǎn)，靠流動(dòng)。

地殼的漂移，高山的隆起，海洋的形成，火山的噴發(fā)，珠穆朗瑪峰的增長(zhǎng)，上海灘的形成，靠流動(dòng)。

上升到哲學(xué)高度，流動(dòng)是物質(zhì)存在的形式。所謂萬(wàn)物皆流，這是流變學(xué)的思維模式。流變學(xué)的重要任務(wù)之一，就是讓流動(dòng)變得可以測(cè)量。

4.2 流動(dòng)的測(cè)量

很多客戶(hù)，在糾結(jié)一個(gè)非常重要的定義，黏度。特別說(shuō)明，是黏度，不是粘度。黏，形象的表達(dá)了流體的連續(xù)性，黏合性，以及測(cè)量的本質(zhì)，阻力。黏度，是流動(dòng)的阻力度量，可以表征流動(dòng)的難易程度。流動(dòng)是絕對(duì)的，只要把物質(zhì)放在一個(gè)可觀(guān)測(cè)的時(shí)間尺度上。所以，黏度的問(wèn)題是個(gè)力學(xué)問(wèn)題；采取合理的條件，選擇合適的力學(xué)測(cè)量傳感器和一個(gè)時(shí)間度量傳感器，力的大小就可以正確、準(zhǔn)確的測(cè)量。

4.2.1 黏度以及流動(dòng)曲線(xiàn)

不需要繼續(xù)糾結(jié)是選擇黏度計(jì)還是流變儀來(lái)測(cè)量黏度。如果預(yù)算充足，不要猶豫，選擇流變儀絕對(duì)不會(huì)出錯(cuò)。但是，如果你是簡(jiǎn)單流體，黏度計(jì)也是很好的選擇。但我們?cè)诳茖W(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中，軟物質(zhì)是復(fù)雜的流體，是一個(gè)難以精確描述的黑箱。所以，建議選擇流變儀來(lái)測(cè)試，為未來(lái)的研究留下空間。

黏度的表達(dá)有多種，相對(duì)黏度，絕對(duì)黏度，增比黏度，表觀(guān)黏度，讓人眼花繚亂，無(wú)所適從。我的建議是無(wú)論何種粘度名稱(chēng)，都是適用于不同的場(chǎng)景或者儀器或者物料。簡(jiǎn)單了解一下，就可以明白，包括牛頓和非牛頓。公式如下：

從來(lái)不要依賴(lài)單一的黏度值解決問(wèn)題，雖然這個(gè)方法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，容易理解，但是往往會(huì)表征失效。遇到的實(shí)際問(wèn)題，黏度的單一表達(dá)就會(huì)失效。管中窺豹，只見(jiàn)一斑。分析不全面，就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。所以，把黏度的點(diǎn)形成連續(xù)的線(xiàn)，用黏度曲線(xiàn)（下圖）和流動(dòng)曲線(xiàn)來(lái)表達(dá)，這是表達(dá)流動(dòng)的最基礎(chǔ)的兩條線(xiàn)。

1 idealviscous (Newtonian)（牛頓流體）

      2shear-thinning (pseudoplastic)（非牛頓流體：剪切稀釋型）

3 shear-thickening (dilatant)（非牛頓流體：膨脹型）

我這里建議大家更多的關(guān)注流動(dòng)曲線(xiàn)，而不是黏度曲線(xiàn)。只有應(yīng)力數(shù)據(jù)合理了，正確了，黏度數(shù)據(jù)才合理，正確。因?yàn)橐紤]測(cè)試的邊界條件限制：

剪切速率合理嗎？

物質(zhì)有揮發(fā)或者沉淀嗎？

測(cè)試的時(shí)候物料樣品有甩出嗎？

彈性的影響大嗎？比如下圖：高剪切下，受到樣品性品彈性影響出現(xiàn)Weissenberg 效應(yīng)（爬桿效應(yīng)）。這是測(cè)試過(guò)程中要避免的，所以，首要關(guān)注的是流動(dòng)曲線(xiàn)，也就是應(yīng)力曲線(xiàn)。

不要以為這些曲線(xiàn)的測(cè)試是一個(gè)簡(jiǎn)單的工作，如果需要獲得穩(wěn)定和重復(fù)性高的數(shù)據(jù)，對(duì)于流變測(cè)試的條件還要進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化的，這需要經(jīng)驗(yàn)和很好的流變學(xué)理解。這在后面測(cè)試條件的優(yōu)化中會(huì)進(jìn)行討論。

通過(guò)這個(gè)初步的測(cè)試，可以獲?。?/span>

1、流體的基本信息，牛頓流體還是非牛頓流體，剪切變稀還是變稠，測(cè)試的轉(zhuǎn)子選擇，速率選擇等是否合適。

2、為下一步的測(cè)試提供經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)儲(chǔ)備。

3、黏度與剪切速率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以加深與工業(yè)應(yīng)用的關(guān)聯(lián)和理解，見(jiàn)下圖：

4.2.2 觸變性測(cè)量

首先強(qiáng)調(diào)，觸變性是個(gè)相對(duì)測(cè)量，而且影響測(cè)試結(jié)果的因素有很多，沒(méi)有很好的流變學(xué)素養(yǎng)想把觸變性測(cè)試好，是一件困難的事情。理解下概念。

【觸變性流體】對(duì)于假塑性液體，剪切增強(qiáng)引起的變稀作用的主要機(jī)理為：顆?；蚍肿禹樦鲃?dòng)方向取向或排列的作用超過(guò)了分子布朗運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的隨機(jī)化作用。這種取向作用如果再消失，則稱(chēng)觸變性。對(duì)于許多分散體系，顆粒/分子間相互作用，鍵合產(chǎn)生三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通常稱(chēng)為“凝膠”。當(dāng)體系受到長(zhǎng)時(shí)間剪切時(shí)這些鍵易于破裂。此時(shí)網(wǎng)絡(luò)解體，體系粘度隨剪切時(shí)間降低，直到漸漸接近給定剪切速率下可能的zui低值為止。這個(gè)zui低粘度值稱(chēng)為分散體系的“溶膠”狀態(tài)。

觸變性流體的特性在于：只要讓物料靜置足夠的時(shí)間，該流體就能夠重建凝膠結(jié)構(gòu)。凝膠-溶膠、溶膠-凝膠這種變化。

觸變性充分依賴(lài)于時(shí)間尺度。

【反觸變性流體】:又稱(chēng)流凝性液體，其特征是粘度隨著剪切持續(xù)上升。當(dāng)靜止后又會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的低粘度水平。流凝性和觸變性是兩種相反的流動(dòng)特性。

字?jǐn)?shù)有點(diǎn)多，略顯復(fù)雜。一句話(huà)，流體結(jié)構(gòu)破壞之后的回復(fù)能力、回復(fù)特性和回復(fù)快慢。理解觸變性需要一個(gè)過(guò)程，觸變性與實(shí)際工程、工業(yè)生產(chǎn)以及我們的生活息息相關(guān)，密不可分。

A：觸變現(xiàn)象

我們天天寫(xiě)字，用到油墨。不管是中性筆還是圓珠筆，解決不好觸變性問(wèn)題，導(dǎo)致兩個(gè)問(wèn)題：一是書(shū)寫(xiě)流利性不夠，二就是漏墨。為什么日本的水性筆行銷(xiāo)世界廣受歡迎，一個(gè)解決了筆芯的珠子加工精度問(wèn)題，另外一個(gè)油墨的觸變性得以穩(wěn)定的、科學(xué)的進(jìn)行測(cè)量。

涂料刷涂，如果沒(méi)有解決流平和流掛問(wèn)題，你生產(chǎn)的油漆涂料就會(huì)給工人師傅帶來(lái)困擾，結(jié)果就是你的產(chǎn)品失去市場(chǎng)。

鋰電池正度及材料的涂布工藝，觸變性解決不好，工藝參數(shù)調(diào)整不好，直接的結(jié)果就是生產(chǎn)的電芯在纏繞的過(guò)程中鼓包了，甚至嘎嘣斷掉了。損失的，有可能是一鍋幾十萬(wàn)成本的漿料。

電子膠黏劑在點(diǎn)膠工藝中，觸變性能不合適，直接的結(jié)果是既浪費(fèi)膠黏劑，又帶來(lái)產(chǎn)品瑕疵，產(chǎn)生過(guò)多毛刺，接下來(lái)要修邊，最終影響生產(chǎn)效率。

這樣的例子還有很多。那么觸變性能的大小，好壞，有沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)呢？答案是沒(méi)有，要實(shí)事求是，依據(jù)應(yīng)用實(shí)際來(lái)進(jìn)行分析。

B、測(cè)量方法錐

(1) 時(shí)間曲線(xiàn) –結(jié)構(gòu)恢復(fù)三段式

在恒定的剪切速率下觀(guān)察樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞,以動(dòng)態(tài)振蕩測(cè)試或時(shí)間方式, 在等待不同時(shí)間之后觀(guān)察和確定該樣品結(jié)構(gòu)的重建. 即時(shí)間曲線(xiàn)模式和三段測(cè)量模式(動(dòng)態(tài)振蕩+ 穩(wěn)態(tài)剪切+ 動(dòng)態(tài)振蕩).

(2) 流動(dòng)曲線(xiàn)-觸變環(huán)

在恒定溫度下, 逐漸升高剪切速率到某一設(shè)定點(diǎn), 然后再降低剪切速率到原點(diǎn). 通過(guò)流動(dòng)曲線(xiàn)的滯后環(huán)面積測(cè)量樣品的觸變性, 即觸變環(huán)模式。

強(qiáng)調(diào)一下，同樣的物料，用這兩種方法測(cè)試出來(lái)的結(jié)果具有一致性，但是側(cè)重點(diǎn)各有不同。三段式表達(dá)的是回復(fù)時(shí)間的快慢，直觀(guān)表達(dá)與噴涂，刷涂，滾涂等相關(guān)的工藝參數(shù)。觸變環(huán)是回復(fù)能力的大小。依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，我推薦采用三段式的方式。這種方式為解決一些高填料樣品或者粘彈性樣品提供了較為理想的測(cè)試方法。

C：觸變測(cè)試的注意事項(xiàng)，此處敲黑板。

（1）剪切歷史。觸變性嚴(yán)重依賴(lài)于時(shí)間，是材料的依時(shí)性特征表達(dá)。在測(cè)試之前，應(yīng)該努力避免對(duì)物料初始結(jié)構(gòu)狀態(tài)的改變，避免預(yù)剪切。比如：

圓筒轉(zhuǎn)子進(jìn)入物料對(duì)物料初始結(jié)構(gòu)的影響，測(cè)試平板或者錐板對(duì)樣品的擠壓；

攪拌或者混合；

加樣方式：擠出，注射；

自動(dòng)升降步進(jìn)電機(jī)速度控制與法向力控制；

（2）物料本身結(jié)構(gòu)和狀態(tài)

溶劑的揮發(fā)與測(cè)試溫度之間的協(xié)調(diào)；

均相結(jié)構(gòu)與懸浮結(jié)構(gòu)甚至含有顆粒等沉降物，體系盡可能做到均相；

（3）測(cè)試條件的優(yōu)化

尋找適合于物料合適的觸變性測(cè)試條件，是一個(gè)復(fù)雜的工程。不同的物料，粘度不同，結(jié)合實(shí)際工程工藝，提高測(cè)試的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。以下都是測(cè)試的經(jīng)驗(yàn)。

對(duì)于高填料或者錐板夾具，三段式要采用動(dòng)態(tài)震蕩模式；

圓筒轉(zhuǎn)子測(cè)試時(shí)候，觸變環(huán)或者三段式測(cè)試，破壞段的速率選擇要充分考慮慣量的影響，避免速度過(guò)沖等不合理數(shù)據(jù)；

在開(kāi)始測(cè)試之前，給足時(shí)間讓yueqian物料盡可能回復(fù)到原始狀態(tài)，避免非正常的剪切影響；

以上這些如果加以理解并多做操練，觸變性的測(cè)試可以得到預(yù)期的測(cè)試效果。

4.2.3 屈服應(yīng)力

定義：克服彈性行為開(kāi)始流動(dòng)需要最小的力，叫做屈服應(yīng)力。屈服應(yīng)力具有特征指紋的特點(diǎn)，是材料的特征屬性。在整個(gè)流變學(xué)研究中，尤其是小振幅或者低剪切測(cè)試中，屈服應(yīng)力是一個(gè)非常關(guān)鍵的參量。

A：測(cè)量方法

（1）應(yīng)力增長(zhǎng)模式

設(shè)定恒定的剪切速率,測(cè)得最大剪切應(yīng)力 對(duì)應(yīng)于時(shí)間t (線(xiàn)性坐標(biāo))。

方法看似簡(jiǎn)單，但是想把測(cè)試做好不太容易。剪切速率的選擇很重要，另外，設(shè)備的靈敏度也要滿(mǎn)足測(cè)試要求。針對(duì)屈服應(yīng)力小的物料或者比較稀的物料，建議選擇空氣軸承的流變儀。這類(lèi)方法對(duì)于水泥砂漿、金屬粉末等非常合適。

（2）控制應(yīng)力(CS)掃描模式:

連續(xù)增大的剪切應(yīng)力施加到被測(cè)樣品上, 觀(guān)察產(chǎn)生的形變, 曲線(xiàn)斜率變化兩個(gè)切線(xiàn)的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力(雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)形變- 應(yīng)力)。

這個(gè)方法很直觀(guān)，容易理解。隨著應(yīng)力的增長(zhǎng)，形變會(huì)產(chǎn)生一個(gè)突躍，也就是從不流動(dòng)到流動(dòng)的拐點(diǎn)區(qū)域。在拐點(diǎn)的左側(cè)，很直觀(guān)的表達(dá)了線(xiàn)性黏彈區(qū)，零剪切粘度等概念，對(duì)于流變學(xué)融會(huì)貫通的理解，提供了一個(gè)簡(jiǎn)單易懂的圖形數(shù)據(jù)模式。

（3）振蕩(OSC)應(yīng)力掃描模式:

? 以某一頻率的正弦波施加到被測(cè)樣品上, 應(yīng)力幅度逐漸增加,曲線(xiàn)斜率變化兩個(gè)切線(xiàn)的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力(雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)形變- 應(yīng)力)。

這個(gè)設(shè)備對(duì)流變儀設(shè)備是有要求的，可以進(jìn)行震蕩模式的測(cè)試。本人推薦采用該模式來(lái)測(cè)試屈服應(yīng)力，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性高，容易掌握。該方法特別適合于高分子聚合物類(lèi)的樣品，或者有內(nèi)聚強(qiáng)度的樣品，或者具有粘彈性的樣品。

屈服應(yīng)力測(cè)試的方法有很多種，不一一列舉。以上三種方法比較簡(jiǎn)單易行，可以解決大部分實(shí)際工程問(wèn)題。

B：屈服應(yīng)力的測(cè)試討論

（1）不同測(cè)試方法的差異

如果去看文獻(xiàn)，有不同的屈服應(yīng)力。而且不同的行業(yè)，不同的樣品，都采用不同的測(cè)試方法。需要特別強(qiáng)調(diào)，雖然屈服應(yīng)力是材料的特征屬性，但是不同的方法測(cè)試的數(shù)值都不一樣。所以，在測(cè)試的時(shí)候，一定要用一樣的測(cè)試條件和同樣的判定標(biāo)準(zhǔn)去進(jìn)行測(cè)試。

（2）測(cè)試屈服應(yīng)力的意義

屈服應(yīng)力可以表征材料的穩(wěn)定性，貨架期。結(jié)合零剪切粘度，stroke方程，可以表征分散體在懸浮體系的材料穩(wěn)定性。

屈服應(yīng)力可以做一致性評(píng)價(jià)。對(duì)于配方和生產(chǎn)工藝批間差可以進(jìn)行控制表征。

屈服應(yīng)力可以表征材料的施工特性，擠出的難易程度，形狀保持等與工程施工相關(guān)的工藝問(wèn)題。

對(duì)于化妝品來(lái)說(shuō)，屈服應(yīng)力可以表達(dá)涂抹在皮膚上的觸感和柔滑特性。對(duì)于食品果醬、花生醬等產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，可以表達(dá)使用的便利性。同時(shí)，這一數(shù)值是很好的質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)。

屈服應(yīng)力測(cè)試，可以解決漿料類(lèi)材料運(yùn)輸，泵送的問(wèn)題。比如水泥砂漿，原油輸送，雞肉漿的罐間轉(zhuǎn)移等。

4.3 流動(dòng)測(cè)試小結(jié)

黏度以及流動(dòng)曲線(xiàn)，觸變性和屈服應(yīng)力，囊括了流動(dòng)測(cè)試的全部?jī)?nèi)容。作為一款流變儀，必須具備三種模式，控制速率，控制形變和控制應(yīng)力。三種模式缺一不可，否則就是一臺(tái)黏度計(jì)。

1、屈服應(yīng)力是物料的特征屬性，可以表征物料的差異。

2、屈服應(yīng)力可以解決穩(wěn)定性、泵送擠出工藝等實(shí)際工程問(wèn)題。

3、建議采用振蕩(OSC)應(yīng)力掃描模式進(jìn)行屈服應(yīng)力測(cè)試。

4、三段式和觸變環(huán)都可以表達(dá)觸變性，但不同工藝，不同物料，應(yīng)該有所區(qū)別。

一句話(huà)，完整理解并掌握流動(dòng)測(cè)試的基本概念和方法，流變學(xué)的測(cè)試只是邁出了第一步，接下來(lái)的應(yīng)變測(cè)試更為抽象和復(fù)雜。