為了研究力引起的變形,流變學有兩種相互促進的途徑:實驗和理論模擬。實驗中使用了毛細管流變儀等多種流變儀,測量不同剪切應力下流體粘度和流速的變化,然後進行分析,從中得出物質的模量、分子量等重要性質。醫學檢驗中常用的血液流變學也是如此。流變儀還可以用來模擬流體在註射等成型過程中的應力和變形,使流變學成為研究聚合物加工的必要內容。
理論模擬就是通過實驗數據提出這類物質的物理背景,並與普適數學模型相結合。目標是流體運動可以通過數學計算來描述。它的物理背景很復雜。對於純彈性物體,可以用胡克定律來描述,即應力與應變成正比。對於牛頓流體,可以用應力=粘度×應變率來描述。但現實中固體有不符合胡克定律的塑性變形,液體都是非牛頓流體。特別是對於聚合物,具有粘彈性,情況復雜。其數學模型主要依靠連續介質力學。目前對於壹般流體的簡單流動,理論模擬效果較好,但是對於復雜的流道,由於存在許多復雜的邊界效應,目前的計算能力還不能給出較好的結果,這已經成為近年來流變學研究的壹個重要方向。
流變學作為壹門研究物質流動和變形的學科,與化學,尤其是膠體化學和高分子化學有著密切的聯系。隨著三大合成材料產業的不斷發展,近年來流變學研究也發展迅速。流變社會已經在各個國家建立,尤其是在工業化國家,如英國、德國、法國、荷蘭、瑞典、日本、墨西哥和加拿大。流變學作為壹門交叉學科,具有廣泛的應用。
在石油和石化工業中的應用
因為從原油開采技術,如三次采油、完井,到原油儲運、短途運輸、酸壓、聚合物壓裂、清潔膠束壓裂液,都與流變學有關。所以流變學在這個行業得到了廣泛的重視,得到了很好的推廣。
新鉆的強化采油油井可以保持壹定的壓力,噴出壹部分原油,但當油井壓力開始下降時,很快就會開始二次采油。註水過程中油水界面易發生粘性指進,不利於采油。此時,50%的原油尚未開采。提高石油采收率,或三次采油,有很大的潛力。聚合物溶液註入是三次采油的方法之壹。所選擇的材料是相對柔性的聚丙烯酰胺和相對剛性的黃原膠。雖然它們在剪切流場中的行為相似,但在拉伸流場中卻有很大的不同,這必須從流變學的觀點來明確判斷。
壹般聚合物加工只有經過再加工才能應用,加工分為註塑、擠出、壓延、吹塑、紡絲等工藝。但是,無論什麽形式的加工,都充滿了流變問題。歐美等發達國家有專門研究高分子加工的專家,發達國家有專門研究高分子加工流變學的專家,每年還會召開年會進行學術交流。因為國外已經開發出基於流變學的計算機設計應用軟件,可以制造大型塑料汽車鑄件和大型飛機機身鑄件。
農用薄膜通常通過吹塑制成。吹塑成型主要是通過熔體的聚合來進行的,即熔體以管或氣泡的形式從擠出機中出來,被拉成薄膜,達到最終的厚度和分子取向。這時,原料的拉伸粘度顯然是壹個重要的流變參數。因此,毫不奇怪,流變學中拉伸粘度的測量被認為是壹項具有工業重要性的研究。
在潤滑油中加入高分子增稠劑的目的是減少粘度隨溫度的劇烈變化,使其在高溫下保持良好的動態潤滑,在低溫下不會有太大的磨損。汽車油的粘度用等級來表示,使用流變添加劑可以配制出滿足各種等級需要的汽油。添加劑可使基礎油粘度增加3倍以上。在潤滑油中可以測量粘彈性效應,但潤滑油流變學認為粘彈性和粘度增加有利於支撐載荷。
在醫學領域的應用
生物流變學如果說傳統流變學是為了滿足工業的需要而發展起來的,那麽它是隨著生命科學的發展而產生的。目前生物流變學中研究最廣泛、最深入的是血液和血管流變學,是現代醫學和科學技術之間的重要前沿學科。
此外,還用於臨床醫學、藥學等領域。
在輕工業領域的應用
牙膏、化妝品、洗滌劑等輕工產品的質量控制和配方調整都必須使用流變指標。以牙膏為例。人用牙膏的時候要容易擠出來,擠出來之後要硬。不要沈在牙刷上,刷牙的時候要輕松。也就是說,牙膏在剪切時粘度要迅速下降,靜止時要有壹定的屈服應力,以保持牢固。
我國流變學的應用研究起步較晚,60年代只有少量自發的研究。目前應用研究領域較少,甚至流變學所依賴的聚合物加工行業也知之甚少。以塑料制品為例,進口的聚合物顆粒被塑料廠進口的模具吃掉,產品光滑美觀,可以和國外同類產品媲美,但壹旦被國產原料顆粒替代,產品質量就會下降。這是因為使用的模具是根據國外原料的流變特性設計的,而國內原料的流變特性與進口原料並不完全相同,所以產品質量下降。雖然廠家改進了模具,但只是根據經驗做了機械上的改動,沒有考慮到顆粒的流變特性。
目前,流變學的應用研究在國內遠未普及,更談不上發揮應有的作用。為了加強我國流變學的研究,建議有關部門對流變學這類交叉學科給予政策支持,同時在大學特別是重點大學開設流變學課程,如化學工程、高分子加工等,特別是對碩士、博士等高級研究人才的培養更為迫切和重要。