水性聚氨酯分散体动态黏度

      很多高分子材料的溶液表现出的是一种所谓的粘弹性流体，其在外力作用下既表现出液体的粘性流动又具有固体的高弹形变。也就是说体系兼有液、固双重性质。

      为了便于理解，在这里简单介绍一下所谓的粘弹性。根据经典流体力学理论。Newton 粘性定律表述为：

      式中为剪切速率，η0为 Newton 黏度，是与时间和剪切速率无关的材料常数。根据经典弹性理论。Hooke 定律记为：

      式中ε、γ分别为拉伸形变和剪切形变，E、G分别称Yang's氏模量和剪切模量，它们是不依赖于时间、形变量的材料常数。所谓粘弹性，就是流体流动时，既表现出液体的粘性流动又具有固体的高弹形变，外力释去时，仅有弹性形变部分可以恢复，而粘性流动造成的永久形变不能恢复；其次流体流动时既偏离由Hooke定律所描写的线性规律也偏离Newton粘性定律所描写的线性规律，模量和黏度均强烈地依赖于外力的作用速率，不是恒定的常数。测定高分子液体的粘弹性最有效方法是动态力学测定。材料的动态粘弹性指在交变的应力(或应变)作用下，材料表现出的力学响应规律。研究材料动态粘弹性的重要性在于：(1) 动态测量时，可以同时获得有关材料粘性行为及弹性行为的信息；(2) 容易实现在很宽频率范围内的测量。按时—温等效原理，即容易了解在很宽温度范围内材料的性质；(3) 动态粘弹性与材料的稳态粘弹性之间有一定的对应关系，通过测量，可以沟通两类材料性质间的联系。

      关于流体动态力学性能的测量仪器主要采用转子式流变仪，例如同轴圆筒流变仪、锥板式流变仪和偏心平行板式流变仪(又称正交流变仪)等，采用仪器的振荡模式。实验中通常测量在一系列给定频率ω下的输入应变振幅γ0，输出应力振幅σ0及两者位相差δ，由此可求得：

      其中G′(ω)为流体的储能模量，G″(ω)为流体的损耗模量。这两个模量的指标以及黏度可以在一定程度上表征流体的粘弹性能。水性聚氨酯分散体在特定条件下特别是高固含量时也会出现高分子溶液的这种粘弹性。Otaigbe等采用高级流变扩展系统( Advanced Rheometerics Expansion System (ARES)测试水性聚氨酯分散体动态流变行为，采用平行板25~40 mm模式，进行动态频率扫描，频率范围在0.1~100 rad/s之间，温度30 ℃。获得的测试结果见图1。

      其中，G′(空心标，G″(实心标)，为了图表显示，固含量为40%、32%、24%分散体的横坐标分别乘以102、104、106。

      从图1可以看出固含量对分散体的动态粘弹性性能影响非常巨大。图8的纵坐标采用的是指数坐标，对于固含量在40%以下的样品，其G′与G ″在0.005～50范围内，相对较小，而对44%和46%样品的G′与G″产生了数量级的增长。最高达到20 000。这种数量级的增长已经表明分散体形成了临界凝胶(微凝胶团)。对于42%以及以下样品，G ′远小于G ″且与剪切频率有关，表明没有微凝胶团形成，而在固含量达到44%时，在高频段G′超过G″，说明分散体处于微凝胶团形成的临界状态。在水性聚氨酯分散体固含量达到46%时G′在整个频段高于G″一个数量级，且G′和G″都与频率无关，说明分散体已经形成了完全凝胶，也就是说微凝胶团相互连接形成完整凝胶结构占据了全部分散体空间。见图2。

      必需说明的是这种微凝胶团或者完全凝胶不是分散体的凝聚，凝胶代表分散体粒子间形成强相互作用，其单独粒子布朗运动已经停止，相邻粒子仅能进行同步运动。这种强相互作用并没有形成粒子间凝聚，这种强相互作用在分散体稀释后或者温度改变时可以解除，使分散体粒子恢复布朗运动。因此对于水性聚氨酯分散体，可能会出现一个临界固含量，在临界固含量以下，分散体是一种典型的布朗运动悬浮体系，而在临界固含量以上分散体表现出完全凝胶状态，对于Otaigbe测定的体系，其临界固含量为44%。