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非牛顿流体的特征和应用
一、非牛顿流体的概念
水、乙醇等大多数纯液体、低分子溶液和低速流动的气体等为牛顿流体,牛顿流体是指满足牛顿粘性定理的液体,剪应力和剪切应变率成正比,粘度为常数.非牛顿流体的剪应力与剪切应变率之间不呈线性关系,或者说粘度不是常数的流体.生活中存在大量的非牛顿流体.如（1）蛋清、淀粉液、、酱油、果酱、炼乳、熔化的巧克力等食物属于非牛顿流体；（2）人的体液,如血液、淋巴液、囊液等,以及类似细胞质的“半流体”属于非牛顿流体；（3）高分子聚合物的浓溶液和悬浮液一般是非牛顿流体,如PE、PVC、涤纶、各种工程塑料、橡胶溶液、化纤的熔体、溶液等,以及石油、纸浆、油漆、油墨、牙膏、泥石流等也都属于非牛顿流体.不同类型的非牛顿流体在剪切应变速率的变化下会表现出不同的流变特性,利用这些特性,非牛顿流体也被广泛应用于工业领域.
二、非牛顿流体的特性
2.1 射流胀大（挤出胀大）和弹性回复效应（Barus 效应）
射流,指流体从管口、孔口、狭缝射出,或靠机械推动,并同周围流体掺混的一股流体流动.当非牛顿流体受到外力被迫从一个大容器进入一根毛细管并流出时,可以发现射流直径大于毛细管直径,射流直径比毛细管直径称为挤出物胀大比.对于牛顿流体,挤出物胀大比取决于雷诺数（表征流体的湍动程度,无量纲数）,其值在1 附近；而对于非牛顿流体,其值大得多,甚至可以超过10. 一般来说,挤出物胀大比和流动速率与毛细管长度有关.当突然停止挤出,并剪断挤出物,挤出物会发生回缩,成为弹性回复效应.射流胀大现象需要被考虑在口模设计的过程中.
2.2 爬杆效应（韦森堡效应）
在一只装有非牛顿流体的烧杯里,旋转实验杆,如图所示：
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图1 爬杆效应
对于牛顿流体,由于受到离心力,液面将呈现凹形,如图1.b；而对于非牛顿流体,却向杯中运动,并沿杆向上爬,液面呈凸形,如图1.a.转速越快,爬得越高.这是在1948年由韦森堡发现的现象,称为韦森堡效应,又称“爬杆效应”或“包轴效应”.在设计混合器时,必须考虑爬杆效应的影响.爬杆效应不但可以在搅拌棒上发生,而且可以在水平放置的挤出螺杆上发生,还能在压延辊或炼胶辊上发生,表现为物料在辊筒表面上的返回流动.利用爬杆效应,可以让电线直接包裹上塑料,淘汰了原来过程复杂、成本高昂的沙包线工艺.
2.3 湍流减阻
湍流一直是困扰理论物理和流体力学界的难题.科学家Toms 发现,如果在水中加入极少量的某些高分子物质,水的流动阻力会大幅下降,这种现象即为减阻效应,也称为Toms 现象.湍流减阻效应在石油开采、输运、抽水灌溉、循环水等工农业生产中具有重要意义,医学上可以利用这个特性研制减阻剂,减少血液流动的粘性摩阻,增大血流量,以治疗由于胆固醇沉积使冠状动脉管径减少引起的心肌供氧不足、心脏负担过重的冠心病.
2.4 无管虹吸
在牛顿流体中进行虹吸实验时,如果将虹吸管提离液面,虹吸现象会马上停止.但对于非牛顿流体,将虹吸管慢慢从容器中拔起时,虽然管子已经不在流体中,但流体依然能不断从容器中被抽起,持续流入罐子里.另一种情况甚至无需虹吸管,将装满非牛顿流体的烧杯微微倾斜,使流体流下,这一过程一旦开始,直到杯中的液体全都流光才会终止.
除了以上几种特性以外,还有其他特性,如拔丝性（能拉伸成极细的细丝）,剪切变稀效应,剪切增稠效应等.
三、非牛顿流体的应用
3.1 非牛顿流体型工业助剂的应用
3.1.1 非牛顿流体型减阻剂
利用湍流减阻特性,在流体输送过程中添加一些有超高相对分子量的物质作为减阻剂来降低管道阻力,提高产品的输送量.如在消防水中添加少量聚乙烯氧化物,可以使消防车龙头喷出水的扬程提高至少一倍,节省了能耗；近年来非牛顿流体型减阻剂在石油开采和长距离管道输送中起到了重要的减阻和节能作用.以聚异丁烯为减阻剂,试验结果表明在一定条件下阻力可以减小达40%.美国的一条海底输油管线,直径0.356m,年运输能力800 万桶,添加聚合物减阻剂后,减阻率达26%,输送量提高了18%,基本取消了驳船.目前世界几十个地区的30 多条管线的原油或者成品油输送使用了聚合物添加剂.
船舶在水中航行时,水的粘性摩阻是影响船速的主要因素.在外壁涂上减阻涂层,可减少航行阻力和噪声,提高航速,降低动力耗散.这种涂层也可用在体育比赛的赛艇上.
3.1.2 非牛顿流体型增稠剂
增稠剂实质上是一种流变助剂,加入增稠剂后能使胶黏剂和密封剂增稠,起到防止填料沉淀,赋予其良好的物理机械稳定性,控制施工过程的流变状态的作用,还能降低成本.
增稠剂的高黏度和高触变性可以保证获得轮廓清晰、线条流畅的印花图案,另外,利用剪切变稀特性的增稠剂还能改善印花色浆的流动性.近年来为了同时获得合适的色浆黏度和流速,具有高触变性和剪切变稀特性的合成增稠剂得到较为广泛的应用.它能够改善高黏度印花色浆的流动性,其高触变性还能使织物上的印花图案更加清晰.
3.2 非牛顿流体型材料在防护装备上的应用
在受到剧烈冲击或者刺戳时,拥有剪切增稠特性的非牛顿流体对冲击或尖刀刺戳的抵抗力急剧增大.一种非牛顿流体材料由分散相粒子（如SiO2）和分散相介质（如PEG）混合而成,拥有良好的剪切增稠特性,粘度会随剪切速率的增大而增大.用这种流体浸透的Kevlar 纤维（美国杜邦公司研制的一种芳纶纤维材料产品）制成的的液体防弹衣在抗冲击和刺戳的性能上有很大优势.试验表明,14 层未经处理的Kevlar 材料所吸收的的能量和4 层经过处理的Kevlar 材料相当.受到高速冲击的剪切增稠液的分散粒子可以防止纱线在高速冲击下的相互位移,纤维拉伸变形耗能高,吸收冲击的能量就.实际应用中,具有剪切增稠特性的非牛顿流体的增稠效果越强,其制品的抗冲击效果越好.非牛顿流体与Kevlar 或者其他材料结合,可以不使用额外的金属或陶瓷夹层,就能制造出更轻便舒适的防弹衣.
这种材料除了用于军用装备,还可以应用于防护型运动装备.一种黏性流体和聚合物所合成的具有应变速率敏感性的材料,可以用作制作鞋子和自行车比赛用手套、头盔等.
3.3 高黏度非牛顿磁性流体密封
磁性流体是一种新型的功能材料,它既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性.是由直径为纳米量级的磁性固体颗粒、基液及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体.
基液的不同决定了磁性流体的性能.高黏度非牛顿磁性流体的基液是非牛顿流体,一般采用的是耐高温润滑脂,具有较高的磁化强度.高黏度非牛顿磁性流体在被施加磁场之后能很快作出反应,并在外磁场的作用下保持固定的位置,在密封间隙内形成圆形密封圈,从而达到密封的作用.试验证明,高黏度非牛顿磁性流体的密封性比普通牛顿磁流体的密封性更好.此外,这类磁性流体还具有无磨损、能耗低、寿命长、可靠性高等优点.选用合理的基液和设计合理的密封结构对磁性流体密封具有重要的现实意义,磁性流体密封也具有广阔的应用前景.
四、总结与展望
非牛顿流体和牛顿流体相比,有很多特殊的特点,在工业中应用时需要多加考虑.
（1）如爬杆效应在工业混合过程中往往会对操作过程产生不良影响,因此需要采用添加助剂、调节转速、改变搅拌桨形状等手段来减少此种影响.
（2）非牛顿流体材料的应用领域正在不断扩大和深化.精确控制非牛顿流体特殊的流变性能如剪切增稠、剪切变稀等来满足实际应用需求,其应用基础和必要性才能得以体现.
（3）虽然非牛顿流体得到了广泛的应用,但对非牛顿流体流变性能和规律的理论认识和把握依然不足,这是制约技术发展对的关键,这导致在应用中针对材料的流变性能很难做到完全可控.因此,在后续工作中,对非牛顿流体的微观结构和流变特性规律的探究是本学科的研究的重点.
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