納米顆粒粉體在流動(dòng)的懸浮體中存在的作用力有哪些
首先是膠體力,它來源于顆粒間的相互作用,它是由流體的極性等性質(zhì)控制的,而不是由黏度控制的。這些力可以導(dǎo)致顆粒間總體的排斥或吸引。前者可能是由于顆粒帶的同性電荷或存在于顆粒表面的表面活性劑、聚合物分子的排斥作用。而后者可能來源于顆粒間的倫敦范德華吸引力,或顆粒間帶的異性電荷的吸引。如果總的作用是吸引,顆粒將絮凝,如果是排斥,則意味著它們將保持分離。
第二種必須考慮的力是布朗隨機(jī)力,它與顆粒的體積有很大的關(guān)系,對(duì)于小于1μm的顆粒有很大影響。這種力使顆粒不停地運(yùn)動(dòng)。
第三種力是作用在顆粒上的黏性力,這種力正比于顆粒與周圍流體的局部速度差。因此黏性力對(duì)懸浮體黏度的影響是通過連續(xù)相的黏度來實(shí)現(xiàn)的,連續(xù)相的黏度控制著所有這些黏性力的相互作用。 正因?yàn)槿绱?,所謂“懸浮體黏度”通常是相對(duì)連續(xù)相黏度而言的。
很明顯,流變學(xué)測量的是流體的宏觀性質(zhì),它強(qiáng)烈地依賴于流體的微觀結(jié)構(gòu)。例如,離析顆粒的存在意味著流體流線的偏離,造成黏度上升。當(dāng)顆粒濃度增加時(shí),顆粒流動(dòng)將不得不避開另外的顆粒,因此阻力更大。如果顆粒形成絮凝結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)將一些連續(xù)相“固化"于其中,可以預(yù)見將會(huì)岀現(xiàn)更大的阻力,它有增加表觀相體積的效果,當(dāng)然黏度也就會(huì)高得多。
懸浮體靜止時(shí),顆粒間處于熱力學(xué)平衡狀態(tài),這時(shí)布朗力占優(yōu)勢,顆粒處于隨機(jī)無序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)膠體力占優(yōu)勢時(shí),顆粒形成某種與總體膠體力有關(guān)的結(jié)構(gòu),如果總的力是吸引力,顆粒形成絮凝體,如果是排斥力則顆粒形成一種擬網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。絮凝體的形狀可能是近球形的也可能是鏈?zhǔn)降?。顆粒間的擬網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是總體排斥造成的,這種排斥可以是由于顆粒帶有同種電荷并分散在極性溶劑的結(jié)果。這樣顆粒間將互相離得越遠(yuǎn)越好。如果這些顆粒帶的電荷很大的話,顆粒的運(yùn)動(dòng)將受到很大的限制,這時(shí)這種結(jié)構(gòu)可看成一種“擬晶體”,當(dāng)“晶格”間的距離與光波長相當(dāng)時(shí),會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象,懸浮液顯現(xiàn)出彩虹現(xiàn)象。上面提到的所有結(jié)構(gòu)都會(huì)因?yàn)轭w粒表面吸附表面活性劑而受到影響。由靜電荷形成的結(jié)構(gòu)還會(huì)因?yàn)榧尤腚娊赓|(zhì)而改變。
流體運(yùn)動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致一種結(jié)構(gòu)的形成??紤]不絮凝的濃懸浮體流動(dòng)時(shí)的情況,流體緩慢運(yùn)動(dòng)時(shí),顆粒流動(dòng)必須互相繞流,這會(huì)導(dǎo)致較大的阻力和黏度。另一方面,由于這時(shí)布朗力占優(yōu)勢,顆粒分布 不受影響,保持靜止的隨機(jī)狀態(tài),黏度雖然較高,但保持恒定,形成第一牛頓區(qū)。剪切速率逐漸增大后,顆粒沿流動(dòng)方向定向排列,布朗力已不足以使其恢復(fù)靜止時(shí)的分布狀況,顆粒流動(dòng)時(shí)比低剪切時(shí)要自由,結(jié)果表現(xiàn)為黏度下降,剪切變稀。在很高的剪切速率下,顆粒高度定向,形成不同的顆粒層,層間是連續(xù)相清液,黏度到達(dá)最低點(diǎn),這種結(jié)構(gòu)已由光學(xué)散射證實(shí)。當(dāng)剪切力達(dá)到一臨界 值以后,顆粒層受到的擾動(dòng)逐漸消失,黏度又重新開始上升。剪切停止后,由流體運(yùn)動(dòng)而造成的結(jié)構(gòu)消失。以上討論的是剪切變稀的懸浮體。懸浮體中由于存在不同的作用力,在不同的運(yùn)動(dòng)條件下它們互相平衡,形成一定的微觀結(jié)構(gòu),當(dāng)運(yùn)動(dòng)情況改變后平衡被破壞,經(jīng)過一段時(shí)間后達(dá)到新的平衡,由此表現(xiàn)出隨時(shí)間變 化的黏度。
需要強(qiáng)調(diào)的是表示懸浮體中固體顆粒的量的參數(shù)是固體顆粒占懸浮體的體積,即體積分?jǐn)?shù),而不是質(zhì)量分?jǐn)?shù),這是因?yàn)榱髯冃再|(zhì)主要依賴于與顆粒表面有關(guān)的水動(dòng)力學(xué)力,顆粒的絮凝等,而與顆粒的密度等關(guān)系不大。