浓度和温度对高岭土和膨润土悬浮液流变行为影响的研究

Clay suspensions are important components of deep-sea sediment, drilling mud as well as paper coating pigment. Study their rheological properties as a function of clay concentration and temperature is very important in the industry of deep-sea mining et al. However, investigation on effects of concentration and temperature and their mechanism is still deficient. In this project, with the adoption of mainly a rotational rheometer, we study the change of gel-state rheological behavior (ie. yield stress, dynamic modulus et al.) of widely used kaolinite and bentonite suspensions with large ranges of concentration and temperature, the mechanism of which is also investigated. Based on the investigation of the mechanism by yield stress measurement, a new experimental method, by which the microstructure in the clay suspension is investigated by dynamic modulus in small amplitude oscillatory shear test, is to be developed. The dependence of interparticle forces (such as electrostatic force and van de Waals force et al.) and the consequent microstructure on concentration and temperature will be understood. Based on the mechanism study and with the application of DLVO theory, a rheological model is going to be developed to predict quantitively the change of gel-state rheological properties (e.g. yield stress) of clay suspensions with large ranges of concentration and temperature. This project will offer an important guidance to the developing of the industry concerned. Meanwhile, it will extend the research area of multiphase-flow rheology to a more complex suspension system.

粘土悬浮液是深海沉积物、钻井泥浆、造纸涂布颜料的重要成分。研究其流变性质受粘土浓度和温度的影响对深海开采等行业的发展有着重要的意义，然而目前还缺少对影响规律和机理的系统性研究。本项目以应用广泛的高岭土悬浮液和膨润土悬浮液为研究对象，以旋转流变仪为主要实验仪器开展实验和理论研究，探讨其凝胶态流变性质（屈服应力、动态模量等）随较大范围浓度和温度变化的规律和机理。在通过考察体系的屈服应力进行微观机理分析的基础上，发展根据小幅振荡剪切实验测得的动态模量分析体系微观结构的技术，掌握粘土悬浮液中颗粒之间的静电力、范德华力等作用力以及所导致的微观结构随浓度和温度的变化规律。基于上述机理的分析，通过改进DLVO胶体理论，发展流变学模型定量预测粘土悬浮液的屈服应力等凝胶态流变性质随较大范围浓度和温度的变化。本项目将对相关行业的发展提供重要的理论指导，同时将多相流流变学的研究深入到对更复杂的悬浮液体系的探索。

粘土悬浮液是深海沉积物、钻井泥浆等的重要成分，研究其流变性质随粘土浓度和盐度等的影响对深海勘探、石油钻采等行业的发展有着重要的意义，然而目前还缺少对影响规律和机理的系统性研究。本项目以膨润土悬浮液和锂皂土悬浮液为研究对象，以旋转流变仪为主要实验仪器，开展实验和理论研究，主要探讨其凝胶态流变性质(屈服应力)以及流动状流变性质（粘度）随粘度的浓度，以及体系的温度、盐度的变化关系和机理。此外，还研究了粘土悬浮液体系在流变测量过程中的壁面滑移和剪切不均匀现象。基于本项目的研究主要取得了如下研究结果：（1）发现两种粘土悬浮液体系的屈服应力均随粘土浓度的增大而显著增大，此外，随着盐度的增大，屈服应力呈现先增大后减小的变化。研究认为粘土片状颗粒间的面-面静电斥力主导了体系的凝胶结构，基于此结构和DLVO胶体理论，提出了定量预测体系的屈服应力随粘土浓度变化的数学模型，该模型也可体现盐度和温度的影响。（2）两种粘土悬浮液体系的屈服应力表征了在凝胶态以及流动状态下的粘土颗粒间的静电作用强度，对于体系流动状态下不同浓度和盐度的粘度-剪切应力曲线，可通过屈服应力及特征粘度进行归一化，形成主粘度曲线。基于Herschel-Bulkley发展经验本构模型，实现对该主曲线的理论描述。此外，根据前述预测屈服应力的数学模型以及特征粘度的变化规律，以及上述主粘度曲线的经验本构模型，对不同盐度、屈服应力下的粘度曲线进行预测。（3）发现膨润土悬浮液的流变行为存在尺度效应，在低剪切速率的流动状态下，尺度效应由测试板和样品之间的壁面滑移造成。此外，平板之间的间距决定了凝胶结构的尺度，这也造成了屈服应力的尺度效应。通过本项目的研究，初步掌握了两种粘土悬浮液体系的凝胶态和流动态流变性质随弄度和盐度变化的规律和机理，为相关工程技术的发展提础理论指导，并为多相流流变学的研究深入到对更加复杂的悬浮液体系的探索提供了思路和方法。