潘家保，齊國良，王文昌，高 洪

(1.安徽科達機電有限公司，安徽 馬鞍山 243000;2.安徽工程大學 機械與汽車工程學院，安徽 蕪湖 241000)

攪拌混合體系均勻性評價是其攪拌混合效果優(yōu)良的重要指標，也是混合體系制備過程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)之一.工業(yè)生產中常用的混凝土、潤滑脂等均屬于攪拌混合體系[1-2].無論是混凝土或潤滑脂，混合體系均勻性均將會對其性能產生直接影響[3-4].然而，混合體系均勻性評價方面，目前還缺乏統(tǒng)一的定量評價方法.針對混凝土而言，攪拌均勻性參考指標大多集中采用混凝土塌落度的波動性或混凝土試件的抗壓強度[5].而潤滑脂均勻性評價方面的研究報道較少，主要集中于添加劑在潤滑脂膠體體系內部分散均勻性方面[6].

與此同時，混凝土、潤滑脂等混合體系在承受剪切過程中均表現(xiàn)出特有的流變特性.嚴銳[7]探究了含有不同組成的泡沫混凝土流變性能變化規(guī)律，并采用了Herschel-Bulkey(H-B)模型對其流變數據進行了數值擬合得出了其流變參數.焦登武[8]等探究了不同骨料裹漿厚度混凝土的流變特性，并采用Bingham模型擬合出潤滑脂的流變參數.可以發(fā)現(xiàn)，借助流變模型可對混凝土的流變特性進行較為準確的定量分析.研究人員同樣對潤滑脂的流變特性展開了廣泛研究，并采用了不同流變本構方程對潤滑脂的流變特性進行了定量分析，取得了較好的定量表征效果[9-11].對于穩(wěn)定均勻混合體系而言，流變參數將是確定值，即流變參數為均勻混合體系的特征指標.因而，從攪拌混合體系不同位置進行取樣進行流變特性測試，探究流變參數變化情況，將是進行攪拌混合體系均勻性評價較為有效的方法.

基于此，以潤滑脂為例，開展其流變特性測試，選取合適流變模型，采用數據擬合方法獲取其流變參數，以此作為潤滑脂均勻性評價的指標參數.為進一步揭示其機理，探究了潤滑脂的混合體系微觀結構及動態(tài)演化規(guī)律，分析了基于流變本構方程進行攪拌混合塑體系均勻性評價的可行性及優(yōu)勢.研究可為攪拌混合體系均勻性定量評價提供方法指導.

1 評價方法與實驗研究

1.1 流變曲線分析

研究流體流變特性變化規(guī)律主要借助物質的流變曲線.流變曲線反映了流體在承受剪切過程中的剪切應力與剪切速率的變化關系.對于剪切應力和剪切速率變化關系符合線性規(guī)律的流體，即牛頓內摩擦定律，稱之為牛頓流體，如式(1)所示.

τ=ηdu/dy,

(1)

式中,τ為剪切應力；η為粘度；du/dy為剪切速率.所有不符合牛頓內摩擦定律的流體，統(tǒng)稱為非牛頓流體.非牛頓流體展現(xiàn)出復雜的流變特性變化規(guī)律，依據其流變曲線變化規(guī)律，可以分為膨脹性流體、假塑性流體、塑性流體和賓漢流體等，如圖1所示.

混凝土、潤滑脂等均屬于塑性流體，其剪切流動的應力應變規(guī)律較復雜，研究人員也提出了相應的定量表征模型，如H-B模型[12]、四參數模型[13]：

H-B模型[12]

(2)

四參數模型[13]

(3)

流變特性曲線表征的是物質在承受剪切過程中的應力和應變變化關系，對于穩(wěn)定的攪拌混合體系而言，其流變曲線是確定的.為此，考察混合體系是否達到均質化的效果，可以通過對混合體系不同區(qū)域進行取樣，開展流變實驗測試，進而得出其流變方程.比對流變參數是否一致，進而考察其混合的均質效果.為了對該方法進行詳細闡述，選用潤滑脂作為實驗材料，開展流變特性測試，選定數學模型，開展數據擬合，并進一步從潤滑脂結構角度揭示方法的可行性.

1.2 實驗研究

(1)實驗材料.選用中石化NLGI00鋰基潤滑脂作為實驗材料，其主要性能參數如表1所示.

表1 NLGI00鋰基潤滑脂的主要性能參數

注：①依據40 ASTM D-445；②依據ASTM D-566；③依據ASTM D-217

(2)流變測試實驗儀器.流變測試采用安東帕(德國)Physica MCR302旋轉流變儀，測試模塊選用圓筒測試系統(tǒng)，圓筒直徑為20 mm，如圖2所示.測試模塊的轉子轉動，測試圓筒內部流體形成剪切流動效果，進而開展?jié)櫥牧髯兲匦詼y試.

圖1 各類流體的流變曲線 圖2 旋轉流變儀圓筒測試模塊

(3)實驗方法．

①流動性能測試.采用旋轉流變儀的連續(xù)剪切模式，模擬潤滑脂承受連續(xù)剪切的工況，剪切速率范圍：0.01 s-1～100 s-1.鑒于潤滑脂存在粘溫特性，實驗溫度設置為25 ℃.

②應變掃描測試.采用旋轉流變儀的振蕩剪切模式，振蕩頻率為1 Hz，應變范圍為0.1%～100%，主要考察潤滑脂承受不同應變下的變化情況，以揭示其結構體系的演化規(guī)律.

③微觀形貌考察.對潤滑脂皂纖維結構開展，以進一步揭示其內部結構形態(tài).實驗選用德國蔡司Supera 55.場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)，實驗測試條件：10 kV，高真空模式，放大倍數：20 000倍.測試樣品制備過程中需采用有機溶劑對潤滑脂進行基礎油抽取[14].

2 結果與討論

2.1 流變特性分析

潤滑脂剪切應力隨剪切速率的變化規(guī)律如圖3所示.由圖3可知，潤滑脂在承受剪切過程中，剪切應力隨剪切速率總體呈逐漸增大趨勢.根據數據變化趨勢，可分為三段(圖示Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ).Ⅰ段剪切應力隨剪切速率逐漸增大；Ⅱ段剪切應力變化趨于平緩；Ⅲ段剪切應力隨剪切速率又呈現(xiàn)逐漸增大趨勢.圖示變化規(guī)律與潤滑脂體系的結構形態(tài)緊密相關.潤滑脂為結構性的膠體分散體系結構，在承受剪切過程中存在結構強度.Ⅱ段所示的潤滑脂承受剪切應力達到了其結構強度，出現(xiàn)了剪切屈服效應；Ⅰ段剪切應力小于其結構強度，潤滑脂不流動，表現(xiàn)出固體的彈性特性；Ⅲ段剪切應力超過其結構強度，潤滑脂展現(xiàn)出液體的粘性流動屬性.粘性流動區(qū)域為流體穩(wěn)定連續(xù)流動區(qū)域，其內的流動曲線即屬于流變曲線進行流變模型定量表征的區(qū)域[9].

嚴銳[7]在開展泡沫混凝土流變特性的研究過程中，發(fā)現(xiàn)泡沫混凝土的流變特性符合H-B流變模型.周楊[15]在研究自密實混凝土流變特性時也選用了H-B流變模型.可以發(fā)現(xiàn)，混凝土在承受剪切過程中展現(xiàn)出與潤滑脂類似的流動變化規(guī)律.流變模型的流變參數是流體屬性定量表征的指標參數.為此，進一步開展流變模型(本構方程)和流變參數的探究.

2.2 數據擬合及均勻性評價方法

潤滑脂和混凝土的粘性流動過程均符合H-B流變模型，因此選用H-B方程作為流變本構方程開展研究.H-B流變模型反應了流體剪切應力與剪切速率之間的定量數學關系.流變參數(τ,k,n)是H-B流變模型中的常數.流變參數確定，H-B流變模型將會唯一確定.對潤滑脂流變曲線的粘性流動區(qū)域的流變數據采用數據擬合的方法進行分析.

采用H-B流變模型對潤滑脂流變曲線進行數據擬合的結果如圖4所示.由圖4可知，H-B流變模型能夠對流變數據進行非常好的擬合.流變參數的具體數值，即H-B模型與流變數據擬合的流變參數值及相關系數如表2所示.從圖4可以看出，流變模型與流變數據展現(xiàn)出相當高的相關性，能夠對潤滑脂的粘性流動進行較好的定量表征.

圖3 剪切應力隨剪切速率的變化規(guī)律 圖4 實驗數據與擬合曲線對比圖

屈服應力τ0/Pa稠度因子k/Pa·sn剪切變稀指數n 相關系數Rxy4.056.400.8020.998

由此可見，采用流變模型與材料的流變模型進行擬合得出其流變數據，對應穩(wěn)定的混合體系而言，其流變本構方程是確定的.因此，在材料的混合體系均勻性評價過程中，在混合體系內不同位置取多組樣品進行流變特性測試，并開展流變本構方程的數據擬合.通過探究其流變參數的一致性，進而評價混合體系的均勻性效果.

為了進一步分析該方法的可行性，擬對材料開展進一步的性能分析.從混合體系結構角度考察其性能變化規(guī)律，揭示結構特征與流變參數之間的關聯(lián)性.

2.3 結構特征及變化機理探究

潤滑脂皂纖維的微觀形貌如圖5所示.由于潤滑脂為膠體分散體系，無法通過掃描電鏡對其結構進行直接考察，需采用有機溶劑抽取膠體分散體系內部的基礎油.通過掃描電鏡看到的實際是潤滑脂皂纖維的結構骨架.通過圖5可以看出，皂纖維結構骨架為高度纏結形態(tài).潤滑脂制備過程中，經加溫攪拌完成皂化反應，進一步通過輥輪研磨均化，達到較為穩(wěn)定的膠體體系.這也是潤滑脂能夠進行流變測試，在一定條件下能夠得到確定流變參數的保證.

潤滑脂的這種皂纖維結構使得潤滑脂膠體狀態(tài)的混合體系在承受剪切的過程表現(xiàn)出特有的流變學規(guī)律.潤滑脂動態(tài)應變掃描結果如圖6所示.圖6中展現(xiàn)了潤滑脂在承受不同應變過程中的儲能模量和損耗模量變化規(guī)律.由圖6可知，潤滑脂在承受較小應變掃描過程中，儲能模量和損耗模量均維持一個相對穩(wěn)定值，在這樣的應變范圍內，潤滑脂并沒有流動，展現(xiàn)了固體的彈性特性，而隨著剪切應變的增大，儲能模量和損耗模量相互接近，并最終交叉.這表明潤滑脂在這樣的應變過程中，已經從彈性變化過程轉變成粘性流動過程.應變掃描結果展現(xiàn)出的變化規(guī)律也印證了潤滑脂流動性能測試過程中潤滑脂流動展現(xiàn)出的三個不同階段展現(xiàn)出來的規(guī)律.

圖5 潤滑脂皂纖維微觀形貌 圖6 動態(tài)應變掃描

由此可見，作為混合體系的潤滑脂之所以表現(xiàn)出特有流變特性，與其結構特性是密不可分的.而其結構特性也是其能夠展現(xiàn)出穩(wěn)定流變特性變化規(guī)律的保證.因此，證明了基于流變本構方程進行攪拌混合塑性流體均質評價的可行性.同時，開展?jié)櫥髯兲匦詼y試是采用物理剪切方式模擬潤滑脂承受剪切，并沒有對結構體系進行破壞，展現(xiàn)出較為明顯的優(yōu)勢.

3 結論

攪拌混合體系的流變特性可以采用流變本構方程進行較好的表征，流變參數與體系的性能具有較好的對應性，可以借助流變本構方程進行體系性能表征；在混合體系制備過程中，在不同位置取樣，開展流變測試，采用數據擬合方法得出其流變參數，對比不同位置樣品流變參數是否一致，以此判定攪拌混合體系的均勻性；作為一種物理測試方法不會對體系組成產生破壞，模擬了攪拌混合體系承受剪切過程，探究其流變特性變化規(guī)律，為一種直接測量及表征方法，具有操作簡便、貼近實際工況的優(yōu)勢.