涂料課堂：涂料流變學(xué)概論

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0 前言

       流變學(xué)是一門比較前沿的學(xué)科，它主要研究物質(zhì)流動(dòng)和形變。尤其在膠粘劑、油墨、日化等行業(yè)，流變學(xué)都得到相當(dāng)?shù)闹匾�。�?a href="http://yiyexingchen.cn/news/355/news_info4631.html" target="_blank">涂料行業(yè)，因?yàn)榱髯冃詫⒅苯芋w現(xiàn)涂料的施工性以及貯存穩(wěn)定性，所以目前也得到越來越多的關(guān)注。在國外，涂料的流變性已作為一項(xiàng)重要的質(zhì)量指標(biāo)，國內(nèi)目前仍處于初始的階段。在此，我們將對(duì)涂料流變學(xué)的概念做一介紹，以便我們了解流變學(xué)在涂料中的重要作用。

       流變學(xué)是研究物質(zhì)流動(dòng)和形變的一門學(xué)科，涂料的流動(dòng)性能在涂料生產(chǎn)與應(yīng)用的每個(gè)階段都至關(guān)重要，各種液態(tài)物料的泵送、分散以及最后的應(yīng)用與成膜都與流變學(xué)有一定關(guān)系。流變學(xué)在直觀上就是物料的一種粘度的表現(xiàn)形式。主觀上，人們可用諸如：稠的、粘的、膠粘的、流動(dòng)緩慢的或稠厚性的等字眼來描述一種粘性液體。反之，人們也可用稀、水似的、流動(dòng)很快或不稠等字眼來描述一種易流動(dòng)的液體。用上述這類形象化的字眼，粗略地表征液體的流動(dòng)性是容易的，但這不過是一種定性的描述罷了。然而，對(duì)技術(shù)工作者而言，必須更深入地研究涂料流動(dòng)，要通過定量的方式來研究。但是，流動(dòng)現(xiàn)象相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，如果對(duì)每種流動(dòng)方式都要進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)分析，難度將會(huì)相當(dāng)?shù)么�。所以，我們常采用簡化和合理近似的方法來研究涂料的流變問題，從而導(dǎo)出簡單有用的數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用這些數(shù)學(xué)模型，技術(shù)人員就能控制和預(yù)測涂料的流動(dòng)性。

       下面我們將對(duì)流變學(xué)中的一些專業(yè)名詞進(jìn)行解釋，以便我們能更好得介紹涂料流變學(xué)。

       首先，我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)模型，如圖1 所示，讓液體封閉在兩塊平行薄板之間。其中，一塊薄板是可以移動(dòng)的，另一塊則保持靜止?fàn)顟B(tài)。這兩塊板的間距為y。令一個(gè)力F 沿切向作用于可動(dòng)的頂板（面積為A）上。于是，頂板相對(duì)于靜止的底板以速度v橫向滑動(dòng)。當(dāng)以這種方式滑動(dòng)時(shí)，兩板之間的許多液層也發(fā)生橫向位移，如圖1 箭頭方向所示。頂部液層的位移速度最高，而底部液層的位移速度最低（為零），中間層的位移速度則介于二者之間。這里要特別指出的是，對(duì)液體的任何部分來說，速度梯度dv/dy是個(gè)常數(shù)。這個(gè)速度梯度稱為剪切速率，我們可用D（或Gp）表示，其量綱為s-1。

圖1 流變學(xué)模型

       作用在頂板面積A 上的力為F。于是，頂板單位面積上的作用力為F/A。每單位面積上的這個(gè)力稱作剪切應(yīng)力，我們用τ 表示，可以推算出其量綱為Pa。在定義了剪切速率和剪切應(yīng)力后，我們就能定義粘度了。粘度為剪切應(yīng)力與剪切速率之比（τ/D），我們用η 表示，可以推算出其量綱為Pa·s。以上，我們介紹了流變學(xué)中的3 個(gè)最重要的概念，而它們的推導(dǎo)公式，也是研究流動(dòng)科學(xué)的基礎(chǔ)。

       溫度、剪切應(yīng)力、剪切速率，甚至?xí)r間的變化都可能會(huì)改變粘度值。我們把在任一給定溫度下，在很寬的剪切速率范圍內(nèi)，其粘度保持恒定的液體稱為牛頓型液體，反之則稱為非牛頓型液體。牛頓型液體的流動(dòng)特性就叫牛頓型流動(dòng)，反之則稱為非牛頓型流動(dòng)。在涂料行業(yè)中大多數(shù)都是非牛頓型液體，除了溶劑和某些樹脂溶液。

非牛頓型液體根據(jù)其流動(dòng)特性又可以分為假塑性與膨脹性。

假塑性：粘度隨著剪切應(yīng)力的加大而下降（即剪切變稀現(xiàn)象）。

膨脹性：粘度隨著剪切應(yīng)力的加大而上升（即剪切變稠現(xiàn)象）。

大多數(shù)成品涂料都是假塑性體系；膨脹性涂料相當(dāng)少見。然而，研磨的色漿則近似膨脹性體系。

       屈服值是為使涂料流動(dòng)所必須達(dá)到的某個(gè)最小剪切應(yīng)力值。低于這個(gè)屈服值，涂料如同彈性固體一樣，只能變形而不能流動(dòng)，剪切應(yīng)力一旦超過這個(gè)屈服值，涂料便開始流動(dòng)。