一种浓悬浮液应力分解的流变学测试方法

1.本发明涉及一种浓悬浮液应力分解的流变学测试方法，具体地，涉及一种非胶体硬球颗粒浓悬浮液应力分解的流变学测试方法。


背景技术：

2.非胶体浓悬浮液已应用于许多领域，包括食品生产、建筑业和固体推进剂等领域。这种体系的粒径在100nm～500μm之间，体积分数大于0.3，通常表现出剪切增稠的流变行为。目前，对于浓悬浮液的流变学测试方法主要集中于稳态流变性质，通过测试悬浮液宏观的粘度特性从而调整悬浮液的配方，然而，这种宏观的测试方法很难指导配方的调整方向。大振幅振荡剪切(laos)流变学测试是表征材料在接近于加工流场下的非线性流变学响应的有效方法，例如，中国专利cn110186810a公开了一种应力大振幅振荡剪切载荷的沥青非线性流变特性测试方法。在固定频率下，当施加的振幅(应变或应力)从小到大增加时，材料的响应可能表现出从线性到非线性的转变，这有助于全面评估材料的加工性能。浓悬浮液在大振幅振荡剪切过程中会出现明显的剪切增稠行为，大大增加了浓悬浮液的加工难度。目前普遍认为，悬浮颗粒间接触力的存在和增长是造成浓悬浮液在加工过程中剪切增稠的主要原因。因此，定量解析浓悬浮液在大振幅剪切流场下接触力及其它对总应力有贡献的分应力的响应，其对于指导浓悬浮液的配方设计，进而优化浓悬浮液的加工性能具有重要意义。
3.目前，大多浓悬浮液中的应力组成都是基于流变学模型假设，在施加的剪切流场下，总应力主要包含流体动力学力(σh)、颗粒的接触力(σc)和布朗力(σb)，具有以下关系：
4.σt＝σc σb σh
5.其中，流体动力学力由溶剂的粘性阻尼产生，与施加的应变速率成比例。当施加应变足够大时，颗粒会沿着剪切方向紧密堆积，从而产生接触应力(来源于颗粒间的法向力和摩擦力)。布朗力则来自于颗粒的热扰动及其分布的各向异性。
6.然而，基于流变学模型，通常无法解释浓悬浮体系在大振幅振荡周期间或周期内，决定系统流变性的各种微观过程所产生的应力的相对贡献。


技术实现要素：

7.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种浓悬浮液应力分解的流变学测试方法，分析大振幅振荡剪切周期内或不同周期间对总应力有贡献的流体动力学力、布朗力和接触力的大小及变化，其对于理解浓悬浮液在大振幅剪切流场下的应力响应、指导浓悬浮液的配方设计具有重要意义。。
8.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种浓悬浮液应力分解的流变学测试方法，首先采用预剪切消除制样过程产生的剪切历史；随后，利用流变仪任意波模式进行剪切反转实验，确定反转前后的应力与接触力和布朗力的关系；然后，进行剪切停止实验，通过外推的方式获得布朗力的大小，并结合剪切反转实验获得各个应力的相对贡献。
应变曲线；
26.图3为本发明实施例1中剪切停止实验的剪切应变和应变速率随时间的变化曲线；
27.图4为本发明实施例1中剪切停止实验中剪切停止后，应力随时间的变化关系及布朗力的确定方法；
28.图5为本发明实施例1中通过本发明所述的方法确定的李萨茹曲线上不同点处的应力分解所得到的流体动力学力、布朗力、接触力。
29.图6为本发明对比例1中通过本发明所述的方法确定的李萨茹曲线上不同点处的应力分解所得到的流体动力学力、布朗力、接触力。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
31.本发明一种浓悬浮液流变特性的测试方法，具体步骤为：
32.s1、将浓悬浮液置于流变仪平行板夹具上，并在设定的模式下进行预剪切实验，以消除加样和制样过程所产生的剪切历史，创建相同的初始条件。
33.s2、选择流变仪的任意波模式进行剪切反转实验，具体如下：对于应变振幅为γ0，角频率为ω的振荡剪切，在反转之前，剪切应变随时间的变化波形为γ＝γ0sin(ωt)。为了确保样品达到稳定状态，剪切反转实验前进行了两个周期的振荡剪切。在反转时刻t
rev
，瞬时应变和应变速率分别为γ0sin(ωt
rev
)和γ0ωcos(ωt
rev
)，对应的剪应力为σ
t
。反转后，应变变为γ＝γ0sin(ωt
rev
)-γ0ωcos(ωt
rev
)(t-t
rev
)，由于悬浮体中的颗粒相互分离，σc随着颗粒的分离迅速减小为0，σh大小相同方向相反，σb保持相同大小与方向，因此，反转后的应力(σ
rev
)为：σ
rev
＝σ
h-σb。进而，剪切反转实验可以确定反转前后的应力差为：σ
t-σ
rev
＝σc 2σb。
34.s3、选择流变仪的任意波模式进行剪切停止实验，具体如下：在剪切停止之前，进行两个周期的振荡剪切，以确保样品达到稳定状态。在停止时刻，应变速率快速降低至0。σh是速率的函数，也迅速降至0；σc和σb产生的弹性分量在停止剪切保持不变，但σc衰减过快无法测量；由于颗粒分布不对称性，σb在更长的时间尺度衰减，其可通过指数拟合反转后的应力随时间的变化曲线，外推到t＝0时刻得到。
35.s4、通过选择李萨如曲线的第一和第四象限的不同时间点，以改变步骤二中的剪切反转时间点和步骤s3中的剪切停止时间点，重复步骤s1至s3，获取不同时刻的流体动力学力，布朗力和接触力。
36.s5、通过改变步骤s2、s3中的应变振幅γ0和角频率ω，重复步骤s1至s4，获取不同振幅和角频率下，李萨如曲线上不同时刻的各个应力的贡献。
37.实施例1
38.一种球形铝粉颗粒悬浮液流变特性的测试方法，包括以下步骤：
39.s1、将固体含量为44.10vol％的球形铝粉颗粒悬浮液至于平行板流变仪夹具中，并在设定的模式下进行预剪切实验，具体地，在应变振幅为100％，频率为1hz的条件下，进行120s的时间扫描，然后静置120s。
40.s2、选择流变仪的任意波模式进行剪切反转实验。具体如下，对于应变振幅为γ0，角频率为ω的振荡剪切，在剪切反转前，剪切应变随时间的变化波形为γ＝γ0sin(ωt)。
同时，为了确保样品达到稳定状态，剪切反转之前进行两个周期的振荡剪切。在反转时刻t
rev
，瞬时应变和应变速率分别为γ0sin(ωt
rev
)和γ0ωcos(ωt
rev
)，对应的剪应力为σ
t
。反转后，应变随时间地变化关系变为γ＝γ0sin(ωt
rev
)-γ0ωcos(ωt
rev
)(t-t
rev
)，剪应力为σ
rev
，从剪切反转实验可以确定剪切反转前后的应力差为：σ
t-σ
rev
＝σc 2σb。
41.s3、选择流变仪的任意波模式进行剪切停止实验。具体如下，首先进行两个周期的振荡剪切，以确保样品达到稳定状态，剪切应变随时间的变化波形为γ＝γ0sin(ωt)。在停止时刻，瞬时应变和应变速率分别为γ0sin(ωt
ces
)和γ0ωcos(ωt
ces
)，对应的剪应力为σ
t
。需要注意的是，停止时刻与步骤二中的反转时刻对应的时间需相同。在剪切停止时刻之后，应变速率变为0，并不随时间变化，剪切应变固定在γ0sin(ωt
ces
)。剪切停止后，可以观测到应力随时间衰减的过程，但由于受到仪器惯性的影响，剪切停止后40ms以内的数据被排除，通过将反转后的应力随时间的变化用单指数函数拟合，并外推到t＝0处，其所对应的应力即为布朗应力。通过结合步骤二剪切反转实验和剪切停止实验，即可算出某一时刻下，流体动力学力、布朗力和接触力的相对贡献。
42.s4、通过选择李萨茹曲线的第一和第四象限的时间点，以改变步骤二中的剪切反转时间点和步骤三中的剪切停止时间点，重复步骤一至三，将总应力进行分解，以获取每个时刻所对应的流体动力学力，布朗力和接触力。
43.s5、通过改变步骤二、三中的应变振幅γ0和角频率ω，重复步骤一至四，获取在不同的振幅和角频率下，李萨茹曲线上的各个应力的贡献。
44.如图1所示为实施例1中剪切反转实验的剪切应变和应变速率随时间的变化曲线，从图中可以看出，在反转时刻，剪切速率与反转前大小相等，符号相反，此时，剪切应变随时间线性变化。
45.如图2所示为实施例1中剪切反转实验中剪切反转前、后的应力及反转后的应力-应变曲线，从图中可以看出，剪切反转后的应力小于反转前的应力，这是因为在反转后，颗粒间彼此分离，造成接触力的消失，此时只剩流体动力学力的贡献。
46.如图3所示为实施例1中剪切停止实验的剪切应变和应变速率随时间的变化曲线，从图中可以看出在剪切停止时刻，剪切速率变为0，剪切应变保持不变。
47.如图4所示为实施例1中剪切停止实验中剪切停止后，应力随时间的变化关系及布朗力的确定方法，从图中可以看出剪切停止后，应力随时间指数衰减，将曲线外推至反转时刻，即可确定布朗力的贡献。
48.如图5所示为实施例1中通过本发明所述的方法确定的李萨茹曲线上不同点处的应力分解所得到的流体动力学力、布朗力、接触力，从图中可以看出剪切反转和剪切停止实验获得的总应力与应变的曲线与laos测试获得的李萨如曲线重合，证明本发明所述的方法的准确性。然而，laos测试只能获得总应力的变化曲线，与laos测试相比，本发明所述的方法能准确获得在大振幅振荡区间各个分应力的相对贡献及变化关系，以理解微观结构的变化。
49.表1实施例中所选择的时间点及其对应的力学数据
[0050][0051][0052]
从上表1可以看出可以在大振幅振荡剪切的任意时刻进行剪切反转和剪切停止测试，均能获得各个分应力的相对贡献。
[0053]
对比例1
[0054]
一种不规则硫酸钠颗粒悬浮液接触力的流变学测试方法，除颗粒为不规则形状的硫酸钠颗粒之外，其余组分及含量与制备方法均与实施例1相同。
[0055]
如图6所示为对比例1中通过本发明所述的方法确定的不规则硫酸钠颗粒悬浮液的流体动力学力、布朗力、接触力，从图中可以看出，与球形铝粉颗粒相比，具有不规则形状的硫酸钠颗粒间的接触力相互作用更大，这与不规则颗粒间更大的摩擦力有关；流体动力学力与球形铝粉颗粒接近。因此，通过提高颗粒的形状规整度，可以降低浓悬浮液中颗粒的接触力，进而降低浓悬浮液在大振幅剪切流场中的剪切增稠程度，以提高浓悬浮液的加工性能。
[0056]
通过浓悬浮液应力分解的流变学测试方法，有助于分析配方中不同成分及含量所对应的应力的贡献，有助于指导浓悬浮液的配方设计，进而提高浓悬浮液的加工性能。
[0057]
上述实例仅为本发明的参考实施方式，本发明权利要求所限定的范围并不受上述具体实施细节的限定，应该理解，本领域技术人员依照本发明的设计原则对本发明所做的任何修改、浓度变化、类似组分替换以及修饰改进均应在本发明的保护范围之内。