非牛頓流體

高分子聚合物的濃溶液和懸浮液等一般為非牛頓流體。聚乙烯、聚丙烯酰胺、聚氯乙烯、尼龍6、PVS、賽璐珞、滌綸、橡膠溶液、各種工程塑料、化纖的熔體、溶液等，都是非牛頓流體。石油、泥漿、水煤漿、陶瓷漿、紙漿、油漆、油墨、牙膏、家蠶絲再生溶液、鑽井用的洗井液和完井液、磁漿、某些感光材料的塗液、泡沫、液晶、高含沙水流、泥石流、地幔等也都是非牛頓流體。

食品工業中的番茄汁、澱粉液、蛋清、蘋果漿、濃糖水、醬油、果醬、煉乳、瓊脂、土豆漿、熔化巧克力、麪糰、米粉團、以及魚糜、肉糜等各種糜狀食品物料也都是非牛頓流體。

如果非牛頓流體被迫從一個大容器，流進一根毛細管，再從毛細管流出時，可發現射流的直徑比毛細管的直徑大。射流的直徑與毛細管直徑之比，稱為模片脹大率（或稱為擠出物脹大比）。對牛頓流體，它依賴於雷諾數，其值約在0.88～1.12之間。而對於高分子熔體或濃溶液，其值大得多，甚至可超過10。一般來説，模片脹大率是流動速率與毛細管長度的函數。模片脹大現象，在口模設計中十分重要。聚合物熔體從一根矩形截面的管口流出時，管截面長邊處的脹大，比短邊處的脹大更加顯著。尤其在管截面的長邊中央脹得最大。因此，如果要求生產出的產品的截面是矩形的，口模的形狀就不能是矩形，而必須是四邊中間都凹進去的形狀。

1944年Weissenberg在英國倫敦帝國學院，公開表演了一個有趣的實驗：在一隻有黏彈性流體（非牛頓流體的一種）的燒杯裏，旋轉實驗杆。對於牛頓流體，由於離心力的作用，液麪將呈凹形；而對於黏彈性流體，卻向杯中心流動，並沿杆向上爬，液麪變成凸形，甚至在實驗杆旋轉速度很低時，也可以觀察到這一現象。在設計混合器時，必須考慮爬杆效應的影響。同樣，在設計非牛頓流體的輸運泵時，也應考慮和利用這一效應。

對於牛頓流體來説，在虹吸實驗時，如果將虹吸管提離液麪，虹吸馬上就會停止。但對高分子液體，如聚異丁烯的汽油溶液和百分之一的POX水溶液，或聚醣在水中的輕微凝膠體系等，都很容易表演無管虹吸實驗。將管子慢慢地從容器撥起時，可以看到雖然管子己不再插在液體裏，液體仍源源不斷地從杯中抽出，繼續流進管裏。甚至更簡單些，連虹吸管都不要，將裝滿該液體的燒杯微傾，使液體流下，該過程一旦開始，就不會中止，直到杯中液體都流光。這種無管虹吸的特性，是合成纖維具備可紡性的基礎。

非牛頓流體顯示出的另一奇妙性質，是湍流減阻。人們觀察到，如果在牛頓流體中加入少量聚合物，則在給定的速率下，可以看到顯著的壓差降低。湍流一直是困擾理論物理和流體力學界未解決的難題。然而在牛頓流體中加入少量高聚物添加劑，卻出現了減阻效應。有人報告：在加入高聚物添加劑後，測得猝發週期加大了，認為是高分子鏈的作用。雖然湍流減阻效應的道理尚未弄得很清楚，卻己有不錯的應用。在消防水中添加少量聚乙烯氧化物，可使消防車龍頭噴出的水的揚程提高一倍以上。應用高聚物添加劑，還能改善氣蝕發生過程及其破壞作用。

非牛頓流體除具有以上幾種有趣的性質外，還有其他一些受到人們重視的奇妙特性，如拔絲性（能拉伸成極細的細絲，可見“春蠶到死絲方盡”一文），剪切變稀（可見“腱鞘囊腫治癒記”一文），連滴效應（其自由射流形成的小滴之間有液流小杆相連），液流反彈等。 ^[1]