非牛顿流体

樊永洪

用一条小小的口香糖便能打开十分坚硬的椰子？答案是：可以的.将刚刚打开包装的口香糖卷起来，上部捏成尖状，立在桌子上，将新鲜椰子的尾部对着口香糖的尖部猛砸下去，口香糖便像钉子一样扎破椰子壳，我们便可以品尝到鲜美的椰汁.口香糖和粘状物体都是非牛顿流体，并且都具有外界所给的力越大、速度越快、反力也越大的特点.所以口香糖能扎进快速用力砸向它的椰子外壳.非牛顿流体是什么东西，具有什么样的特性，又能给生产和生活带来什么样的变化呢？

一、非牛顿流体的概念

非牛顿流体是指，不满足牛顿黏性实验定律的流体，即其剪应力与剪切应变率之间不是线性关系.非牛顿流体广泛存在于生活、生产和大自然中.绝大多数生物流体都属于非牛顿流体.（1）人体身上的血液、淋巴液、囊液等多种体液，以及像细胞质那样的“半流体”都属于非牛顿流体.（2）高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等一般为非牛顿流体.聚乙烯、聚丙烯酰胺、聚氯乙烯、尼龙6、PVS、赛璐珞、涤纶、橡胶溶液、各种工程塑料、化纤的熔体、溶液等，都是非牛顿流体.石油、泥浆、水煤浆、陶瓷浆、纸浆、油漆、油墨、牙膏、家蚕丝再生溶液、高含沙水流、泥石流、地幔等也都是非牛顿流体.（3）食品工业中的番茄汁、淀粉液、蛋清、苹果浆、浓糖水、酱油、果酱、炼乳、琼脂、土豆浆、熔化巧克力、面团、米粉团、以及鱼糜、肉糜等各种糜状食品物料也都是非牛顿流体.由此可见，非牛顿流体就在我们身边，只是我们不了解而已.

二、非牛顿流体的特性

非牛顿流体具有射流胀大、爬杆效应、无管缸吸或开口虹吸以及湍流减阻四个最主要的特性.

1.射流胀大.如果非牛顿流体被迫从一个大容器，流进一根毛细管，再从毛细管流出时，可发现射流的直径比毛细管的直径大.

2.爬杆效应.1944年Weissenberg在英国伦敦帝国学院公开表演了一个有趣的实验：在一只有黏弹性流体（非牛顿流体的一种）的烧杯里，旋转实验杆.对于牛顿流体，由于离心力的作用，液面将呈凹形；而对于黏弹性流体，却向杯中心流动，并沿杆向上爬，液面变成凸形，甚至在实验杆旋转速度很低时，也可以观察到这一现象.在设计混合器时，必须考虑爬杆效应的影响.同样，在设计非牛顿流体的输运泵时，也应考虑和利用这一效应.

3.无管缸吸或开口虹吸：对于牛顿流体来说，在虹吸实验时，如果将虹吸管提离液面，虹吸马上就会停止.但对高分子液体，如聚异丁烯的汽油溶液和百分之一的POX水溶液，或聚醣在水中的轻微凝肢体系等，都容易表演无管虹吸实验.将管子慢慢地从容器拨起时，可以看到虽然管子已不插在液体里，液体仍源源不断地从杯中抽出，继续流进管里.甚至更简单些，连虹吸管都不要，将装满该液体的烧杯微倾，使液体流下，该过程一旦开始，就不会中止，直到杯中液体都流光.这种无管虹吸的特性，是合成纤维具备可纺性的基础.

4.湍流减阻.非牛顿流体显示出的另一奇妙性质，是湍流减阻.人们观察到，如果在牛顿流体中加入少量聚合物，则在给定的速率下，可以看到显著的压差降.湍流一直是困扰理论物理和流体力学界未解决的难题.然而在牛顿流体中加入少量高聚物添加剂，却出现了减阻效应.虽然科学家对湍流减阻效应的原理尚未弄得很清楚，却已有不错的应用.在消防水中添加少量聚乙烯氧化物，可使消防车龙头喷出的水的扬程提高一倍以上.应用高聚物添加剂，还能改善气蚀发生过程及其破坏作用，建筑工程中所用的防腐蚀和防火的涂料，就属于非牛顿流体.当然，非牛顿流体还有其他特性，如拔丝性、剪切变稀、连滴效应以及液流反弹等.

三、非牛顿流体的应用

在生活和工业生产中常遇到的各种高分子溶液，熔体，膏体，凝胶，交联体系，悬浮体系等复杂性质的流体，差不多都是非牛顿流体.实际上，我们已经利用非牛顿流体的上述特性，使之服务于生产、生活以及安全防护.例如，有时为了工业生产的目的，在某种牛顿流体中，需加入一些聚合物，在改进其性能的同时，也将变成为非牛顿流体，如为提高石油产量使用的压裂液，新型润滑剂等；因为非牛顿流体具有爬杆效应的特点，所以在建筑工程中，商品混凝土的运输泵的设计也应考虑和利用这一效应；建筑工程中的防火、防腐蚀涂料、以及混凝土中的各种添加剂等都是非牛顿流体.据有关资料表明，已经有人开始着手研究非牛顿流体防弹衣了.泥石流也属于非牛顿流体.我相信，随着科技的进步，人们会研究出降低泥石流下滑速度或控制其滑动方向的方法，以便保护人民群众的生命财产安全.随着社会的进步以及人们对非牛顿流体进一步的认识和了解，它们会在生产、生活以及安全防护中扮演更加重要的角色.