触变性流体

凝胶和溶胶之间的相互转换过程

在恒定的温度下，如果剪切速率保持不变，流体的切应力和表观黏度会随时间的延长而减小，或者说它们的流变性受应力作用时间的制约，这种流体我们称之为触变性流体(thixotropic fluid)。

定义

某些流体的黏度不仅与切变速度大小有关，而且与系统遭受切变的时间长短有关，它们是时间依赖性流体。此种流体又可分为两类：①触变性(thixotropy)系统，②震凝性(rheopexy)系统。这两种系统都是非Newton流体，但切变与时间有关。前者维持流体以恒定切变速度流动的切力随时间而减小，后者在一定切变速度下，切力随时间而增加。

绝大多数时间依赖性流体是触变性流体(thixotropic fluid)。触变性流体内的质点间形成结构，流动时结构破坏，停止流动时结构恢复，但结构破坏与恢复都不是立即完成的，需要一定的时间，因此系统的流动性质有明显的时间依赖性。触变性可以看成是系统在恒温下“凝胶一溶胶”之间的相互转换过程的表现。更确切地说，物体在切力作用下产生变形，若黏度暂时性降低，则该物体即具有触变性。

产生触变性的原因并不十分清楚。如前所述，一种看法是认为针状和片状质点比球形质点易于表现出触变性，它们由于边或末端之间的相互吸引而形成结构，流动时结构被拆散，切力使质点定向流动。当切力停止时，被拆散的质点要靠Brown运动使颗粒末端或边相互碰撞才能重新建立结构，这个过程需要时间，因而表现出触变性。触变性是一个较为复杂的问题，许多现象尚不清楚，例如，石英粉的水悬浮液本来没有触变性，但加入一些极细的Al2O3粉末后即出现触变性，其原因就不明。

在实际生产中有许多触变性问题，例如油漆和油墨的质量常决定于是否有良好的触变性。在刷油漆时，人们希望油漆的流动性要好，刷时省力，易于涂匀，且可使油漆光滑明亮。但是当刷子一离开，就要求油漆黏度很快升高，油漆不致流下来造成厚薄不匀。又如钻井泥浆也要求有良好的触变性，钻井时希望泥浆黏度低，这样泥浆冲刷力强，泵效率高，有利于提高钻井速度。但是一旦停钻以后，就希望泥浆黏度迅速升高，不然泥浆所携带的矿屑等杂质就要沉到井底而形成卡钻事故。

还有一种负触变现象，它与通常的触变性相反，即在外切力作用下，系统的黏度迅速上升，静止后又恢复原状，它是具有时间因素的切稠现象。从滞后圈来看，它是顺时针的，而触变系统是逆时针的。最初发现负触变性是在高分子溶液中，最典型的是5%聚异丁烯的苯溶液。

震凝性系统是溶胶在外界有节奏的震动下变成凝胶。这种节奏性震动可以是轻轻敲打、有规则的圆周运动或搅拌等。例如将1．3%的蒙脱土悬浮体放入1 cm直径的试管内，加一滴饱和NaCI(或KCl)溶液，用橡皮棒有节奏地轻轻敲打试管，在25℃时经过15 S就凝结成凝胶。

震凝性与胀性不同，胀性系统的特点是当外切力取消后，系统的黏度立即降低而“稀化”，而震凝性系统则不同，当外切力去除后，系统仍保持凝固状态，至少有一段时间呈凝聚状态，然后再稀化。从微观结构来看，胀性系统的悬浮体是“高浓度”的，固体含量常高达40%以上，润湿性能良好。震凝性固体含量低，仅1%～2%左右，而且粒子是不对称的，因此形成凝胶完全是粒子定向排列的结果。

典型特征

触变性揭示的是材料的黏度随时间的变化关系。触变性流体具有如下典型特征：

①从静止的物料开始剪切或从低到高改变物料的剪切速率时，黏度随时间降低；

②剪切停止后或从高到低改变物料的剪切速率时，黏度随时间恢复；

③保持剪切速率不变直到应力达到恒定值，可得到平衡流变曲线；

④反复循环剪切可得到滞后环；

⑤无限重复循环剪切可得到平衡滞后环。

以上5种触变性特征现象从不同的方面反映了触变体的流变行为。

触变性与剪切变稀的区别

材料的触变性和剪切变稀特性是两个不同的概念，前者是黏度随剪切时间的变化关系，后者是指稳态剪切黏度随剪切速率的变化关系。材料的反触变性和剪切增稠特性也是两个不同的概念，不能混淆。材料或流体滞后环的差异，与材料的结构差异、受力历史密切相关。

典型滞后环

材料的滞后环可分为正触变环、黏弹环、含黏弹～正触变环的滞后环、含黏弹环、应力过冲和正触变环的滞后环以及含黏弹环、应力过冲和正反触变环的滞后环。

触变性是含结构材料重要而复杂的依时特性。材料受到剪切后，材料内部结构逐渐破坏，当剪切除去后，材料的结构逐渐形成；由于材料结构破坏速率和结构形成速率不同，产生滞后环。当结构形成速率大于结构破坏速率时，材料表现为黏度上升，反之则黏度下降；当二者处于动态平衡状态时，溶液表现为平衡黏度。

触变性与黏弹性的关系

值得指出的是，黏弹性流体经过三角波剪切后，可以得到一个类似反触变环的滞后环(真实的实验现象)，说明受剪前后黏弹性材料结构变化速率存在差异，与受剪切历史有关。

将触变性和黏弹性严格地区分开来十分困难，因为二者都是依赖于时间的现象，都与流体结构变化密切相关。同一种材料可同时体现出黏弹性和触变性，由于所受剪切条件不同，表现出不同的性质。一般在低剪切速率范围内表现黏弹性，而在中等剪切速率以上表现触变性。材料表现滞后环所用剪切速率的大小与材料种类有关。至今仍是一个研究热点和难点。

触变性的表征

为了描述非牛顿流体的触变性行为，提出各种不同的触变模型。其中具有代表性的有Huang方程、5参数黏弹一触变性流体本构方程等。同时含黏弹环和正触变环的滞后环的数学表征。

对无弹性的触变性流体，存在聚集体和单体之间的相互转化过程。当剪切应力作用于该流体时，聚集体结构逐渐解离为单体；当剪切应力消除时，单体将相互作用形成聚集体。由于聚集体结构破坏速率和恢复速率不一致，才表现出触变性。

当剪切应力作用于流体上时，产生的剪切速率为多。该应力分别引起黏性流动，弹性变形和聚集体的解离。

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