牛頓/非牛頓流體黏度解析：流體差異介紹及黏度測量方式

2023年03月電子報

複雜流體的流動行為傳統上通過基於每種流體的黏度對變形率和剪切率的依賴性來區分牛頓和非牛頓來表徵。每種獨特的材料在受到流動、變形或壓力時都有自己的行為。正確理解流變學特性，如剪切應力、剪切應變和剪切率，在噴墨打印、蛋白質配方/注射和食品/飲料製造等實際應用中至關重要。以下帶各位了解牛頓/非牛頓流體黏度的差異性與介紹。

牛頓流體

牛頓流體以 Issac Newton 爵士 (1642 - 1726) 的名字命名，他用剪切應力 [mPa] 和剪切速率 [1/s] 之間的簡單線性關係描述了流體的流動行為。這種關係現在被稱為牛頓黏度定律，其中比例常數 η 是流體的黏度 [ mPa-s ]：

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牛頓流體的一些例子包括水、有機溶劑和蜂蜜。對於那些流體，黏度僅取決於溫度。因此，如果我們查看剪切應力與剪切速率的關係圖（見圖 1），可以看到應力隨著剪切速率的增加而線性增加，其中斜率由流體的黏度給出。這意味著牛頓流體的黏度將保持不變（見圖 2），無論它們被迫以多快的速度流過管道或通道（即黏度與剪切速率無關）。

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該規則的一個例外是賓厄姆塑料，它們是在流動前需要施加最小壓力的流體。這些是嚴格的非牛頓流體，但一旦流動開始，它們基本上表現為牛頓流體（即剪切應力與剪切速率成線性關係）。這種行為的一個很好的例子是美乃滋。

牛頓流體通常由小的等向(isotropic)（形狀和性質對稱）分子組成，這些分子不受流動方向的影響。然而，大的等向(isotropic)分子也可能具有牛頓行為。例如，無論剪切速率如何，低濃度的蛋白質或聚合物溶液都可能顯示出恆定的黏度。一些樣品也可能在低剪切速率下顯示牛頓行為，並具有稱為零剪切黏度區域的平台。

非牛頓流體

實際上，大多數流體都是非牛頓流體，這意味著它們的黏度取決於剪切率（剪切稀化或增稠）或形變史（觸變流體）。與牛頓流體相比，非牛頓流體在剪切應力和剪切速率之間顯示出非線性關係（見圖 1），具有屈服應力(yield stress)，依賴於時間或形變史的黏度。

如果流體的黏度隨著剪切速率的增加而增加，則流體發生剪切增稠（見圖 2）。剪切增稠流體的一個常見例子是玉米澱粉和水的混合物。你可能在電視或互聯網上看到過這樣的例子，人們可以在這種解決方案上運行，但如果他們站著不動，他們就會沉沒。如果黏度隨著剪切速率的增加而降低，則流體會發生剪切稀化。剪切稀化流體，也稱為假塑料，在工業和生物過程中無處不在。常見的例子包括番茄醬、油漆和血液。

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流體的非牛頓行為可能由多種因素引起，所有這些因素都與由於流動引起的流體分子的結構重組有關。在聚合物熔體和溶液中，高度各向異性鏈的排列導致黏度降低。在膠體中，流動中不同相的分離導致剪切稀化行為。

流體流動高度依賴於流體的黏度。同時對於非牛頓流體，黏度是由流動特性決定的。查看圖 3，您可以根據流體行為觀察到三種截然不同的速度分佈。對於這些流體，壁面的剪切率（即壁面附近速度分佈的斜率）將決定黏度。黏度的成功表徵是確定流體是牛頓流體還是非牛頓流體以及特定應用需要考慮的剪切率範圍的關鍵。 絕對黏度是流體流動的應用開發中最重要的參數之一，但市場上的許多黏度計測量指數黏度，但往往缺乏剪切率和絕對或真實黏度的適當表徵。 以下介紹測量牛頓/非牛頓流體黏度的推薦方法。

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黏度定義--流動阻力

黏度通常被稱為流體的厚度。你可以想到水（低黏度）和蜂蜜（高黏度）。但是，當我們查看具有不同密度的流體時，這個定義可能會造成混淆。在分子水平上，黏度是流體中不同分子之間相互作用的結果。這也可以理解為流體中分子之間的摩擦。就像移動固體之間的摩擦一樣，黏度將決定使流體流動所需的能量。

如何衡量黏度？

黏度通常被稱為流體的厚度。你可以想到水（低黏度）和蜂蜜（高黏度）。但是，當我們查看具有不同密度的流體時，這個定義可能會造成混淆。在分子水平上，黏度是流體中不同分子之間相互作用的結果。這也可以理解為流體中分子之間的摩擦。就像移動固體之間的摩擦一樣，黏度將決定使流體流動所需的能量。

黏度定義--流動阻力

黏度通常被稱為流體的厚度。你可以想到水（低黏度）和蜂蜜（高黏度）。但是，當我們查看具有不同密度的流體時，這個定義可能會造成混淆。在分子水平上，黏度是流體中不同分子之間相互作用的結果。這也可以理解為流體中分子之間的摩擦。就像移動固體之間的摩擦一樣，黏度將決定使流體流動所需的能量。

使用黏度計

用於測量黏度的黏度計數量相當多，黏度計的歷史可以追溯到很久以前。一般來說，我們可以通過分析它們的基本原則來縮小選擇範圍。如上所述，黏度測量通常區分為運動黏度或動態黏度。雖然相對黏度可以為您提供一個通用數字，但可以測量動態黏度或絕對黏度的工具已經過改進並證明可​​以提供更可靠和準確的測量。這是因為給出的是絕對黏度，而不是將流體相互比較的值。