除了上述的主观感知,物质的流动特性也可以通过适合的设备(黏度计、流变仪)进行测定。 为了能够描述不同的流体特性, 首先需要明确一些重要的流变术语。
第一组必要的关系可通过名为“牛顿双板”的模型进行解释。由此,将几何与物理测量变量进行关联,可表示为: 将流体夹在面积为A的双板之间,板与板间距为d。将流体假象为若干个平行于双板的薄层。如果上板在力F的作用以速度v平行于下板发生移动,则上板附近的流体也以相较于下板附近流体高得多的速度发生移动。然后在流体薄层之间建立(线性)速率梯度。
为了量化这些关系,需要指定若干个变量并将其相互关联,并最终得出黏度的定义。
剪切力是移动材料所需的单位面积上施加的力F。对于不同流动阻力的材料,需施加不同的力使得材料以相同的速度移动。面积越小,以相同速度移动材料所需的力也越小,反之亦然。(例如:用宽刷或窄刷上漆)。 = F/A
剪切率(以前称为D)是速度v与距离d的比。如果以相同的速度施工(涂覆)但厚度不同,就会得到不同的剪切率。 涂层厚度越低,剪切率越高,反之亦然。 = v/d
黏度的定义是剪切力与剪切率的比,是流动阻力的度量单位。 ƞ = /
牛顿流体的特点是,无论施加的剪切力如何变化,其黏度始终不变。该黏度为材料常数(参见双板模型)。
牛顿流体的优点是,黏度恒定,具有良好的流动性及基材润湿性。
而缺点是在垂直表面上容易产生流挂,并降低含固体组分(颜料、填料)配方的储存稳定性(沉降)。 流变助剂可避免牛顿流体的缺点,并可改变流动特性,例如假塑性或触变性。
实践中,通常需要避免牛顿流体产生的上述不足。可以用形成结构的黏度特性弥补。
结构黏度特性也称为假塑性流体特性,其特征是静止(储存)时具有高黏度,随剪切力的提高而降低 (剪切变稀),并随剪切力的降低而立即再次提高。
触变性流体同样具有剪切变稀特征。然而,剪切力撤去后,黏度将延迟一段时间后再提高。
助剂用量及配方中固体含量对结构形成速度具有影响(固含越高速度越快)。
剪切变稀材料的特点之一是形成屈服点。最初,由于物质内部结构非常坚固,尽管施加外力,在内部结构被破坏之前也很难流动。当施加的外力足够大,并破坏内部结构时,物质才会开始流动。
以上提及的流体特性都是在实际应用中常见的,且主要是剪切变稀。相比之下,所谓的胀塑流体特性,即黏度随剪切力的提高而提高(剪切增稠),则很少发生。具有该特性的主要是高填充悬浮液或高分子量液体聚合物。
为表征物质(例如涂料)的流变特性,通常将黏度作为剪切率的函数进行评估。得到的黏度曲线,可以反映出许多应用相关特性。此外还有流动曲线,将剪切力作为剪切率的函数。评估高剪切率下的流体特性,例如在生产及施工过程中,流动曲线尤其重要。
由于黏度和流体特性主要取决于剪切率,在实际应用中剪切主要分为三个范围:低剪、中剪及高剪。 大多数材料具有剪切变稀特性,单一黏度值(某一剪切率下)无法提供完整流体特性的信息。 因此, 为了更精确地表述,必须考虑相关的剪切率范围或了解完整的数据。
低剪区间内的测量值代表材料在储存期间(储存稳定性/沉降性)和施工后(抗流挂性和流平性)的特性。
在中剪区间内,测量值代表常说的罐内黏度,即手动适度搅拌下容器中材料的黏度。黏度质量控制通常在此范围内进行。
高剪区间内的测量值则代表施工、生产和罐装过程中的材料黏度。
在实践中常见的一种情况是,两种配方(例如涂料)尽管黏度特性相差无几,但具有显著不同的施工性能(例如防沉降和抗流挂)。 在液体材料中,也可以通过使用流变助剂来实现弹性性能。这类似于弹簧的弹性恢复。 弹性是由静态(无应力)时形成的内部结构(例如氢键)而产生的。
实践中,这些弹性组分对于实现良好储存稳定性、改善抗流挂性和优化效果颜料定向,都具有决定性的优点。 这些优点在低黏度体系的配制中尤为明显。牛顿流体仅表现出黏性,这就意味着无法实现长期储存稳定性。 黏性和弹性的组合称为黏弹性。测量时,黏弹性可通过振动模式测定,包括弹性(储能模量G‘)和黏性(损耗模量G’‘)。这两个值之间的比率基本上决定了配方的性能。