纤维亚浓悬浮液的流变性能

摘要

纤维悬浮流是含有较小的细长圆柱状固态的纤维粒子包含在液体或气体中而形成的混合流，在化工、纺织、复合材料、医药机械、造纸、环保等领域都有广泛的应用，纤维悬浮流的研究还涉及多个学科分支，具有重要的学术研究价值。本论文对较大长径比下的亚浓相纤维悬浮体系的流变性质做了详细研究，并对比和分析了纤维/硅油悬浮体系与纳米炭黑/硅油悬浮体系的流变性能。 论文首先利用RV--2型共轴圆筒旋转粘度仪研究了纤维/硅油体系的流变行为。将尼龙长丝(11×12tex)切成长径比分别为40、100、200、400的短纤维，并配制成质量浓度为1mg/mL-6mg/mL的悬浮液，悬浮液均处于亚浓相。测定了不同温度和不同剪切速率下各体系的粘度。硅油是一种性能稳定的牛顿流体，添加了纤维以后，悬浮体系表现出一定的非牛顿性。实验表明，长径比较大的纤维亚浓悬浮体系，其粘度在低切变速率下的变化较明显。体系粘度在低剪切速率时随剪切速率的增加而增加，中等剪切速率水平时出现剪切变稀，最后在高剪切速率时逐步达到稳定值。长径比较小的纤维悬浮体系粘度随剪切速率的增加变化不是很明显。体系粘度随纤维浓度的增加而增加，在低切变速率时表现最明显。同等纤维浓度下，纤维的长径比越大，体系粘度增加越多。体系粘度随温度的增加而降低，但不同浓度的粘流活化能变化不大。 研究了纤维/PVA水溶液悬浮亚浓体系的流变性能。制备了浓度为10％的PVA(聚乙烯醇)水溶液，并进行了流变测量实验。纤维/PVA水溶液是非牛顿体系，体系粘度对剪切速率的依赖性强，符合幂律模型：η=kγ<'n-1>。在20℃和30℃时表现出很明显的剪切变稀行为，粘度随剪切速率的增加下降很快，40℃以上和高剪切速率时体系粘度才趋于稳定，接近牛顿流体的性质。体系粘度随纤维质量浓度的增高而增加，小长径比的纤维悬浮体系对浓度依赖性更强，大长径比的纤维体系由于更容易出现剪切变稀，使得高剪切速率时纤维质量浓度高的体系粘度反而低于纤维质量浓度低的体系的粘度。悬浮体系的粘度随温度的变化符合Arrhenius方程，随温度升高，粘度以指数形式降低。纤维质量浓度高的体系粘流活化能较大，但由于体系均为亚浓相，总体变化并不大。最后一章研究了纳米流体--炭黑/硅油悬浮体系的流变性能，并与纤维悬浮体系的流变行为做了比较。在炭黑质量浓度不高的情况下，炭黑/硅油悬浮体系对剪切速率的依赖性不强，表现为准牛顿流体的性质。这是因为炭黑粒子粒径较小，粒子与流体的作用力较小，粒子间距较大，粒子间相互作用的机会和时间比较小(少)，对流体粘度贡献小，故同等浓度下，炭黑悬浮液的粘度比纤维悬浮液的粘度小，也较稳定。炭黑悬浮体系对温度的敏感性更强，其粘流活化能较同等条件下的纤维悬浮体系略大。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2纤维悬浮体系概述

1.2.1纤维悬浮体系的描述

1.2.2细长体理论和假设

1.2.3纤维粒子的相互作用

1.2.4纤维和流体的相互作用

1.2.5纤维的取向分布

1.2.6流变性能的研究

1.3纳米颗粒悬浮流体

1.4流变学基础

1.4.1流变学的定义与研究方法

1.4.2流变性能测量

1.4.3本构方程与流变模式

1.4.4流变学的应用

1.5本论文的研究内容和目的

第二章纤维悬浮液流变学理论

2.1细长体理论的假设

2.2本论文悬浮体系所处流场

2.3纤维的取向分布

2.3纤维悬浮体系的粘度

2.3.1稀相悬浮体系的粘度

2.3.2亚浓相悬浮体系的粘度

第三章纤维/硅油悬浮液的流变性能

3.1实验部分

3.1.1原料

3.1.2主要仪器

3.1.3实验步骤

3.1.4数据处理

3.2结果与讨论

3.2.1纤维的形态

3.2.2悬浮体系的稳定性

3.2.3体系粘度与切变速率的关系

3.2.3体系粘度与纤维质量浓度的关系

3.2.4纤维长径比对体系粘度的影响

3.2.5体系粘度的温度依赖性

3.3小结

第四章纤维/PVA悬浮液的流变性能

4.1实验部分

4.1.1原料

4.1.2主要仪器

4.1.3实验步骤

4.1.4数据处理

4.2结果与讨论

4.2.1体系粘度与切变速率的关系

4.2.2体系粘度与纤维质量浓度的关系

4.2.3体系粘度的温度依赖性

4.3小结

第五章纳米炭黑/硅油悬浮液与纤维悬浮液流变性能的比较

5.1实验部分

5.1.1原料

5.1.2主要仪器

5.1.3实验步骤

5.1.4数据处理

5.2结果与讨论

5.2.1炭黑粒子形态及体系稳定性

5.2.2纳米粒子悬浮液的流变行为及其与纤维悬浮体系的比较

5.3小结

参考文献

硕士期间完成及发表的论文

致谢