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3.3.1 质量分数对混合表面活性剂流变性的影响
大多数的表面活性剂溶液都呈现出强烈的非牛顿流体的特性，所以流变特性的测量对于判断非牛顿流体行为和减阻效果之间的关系是非常重要的。表面活性剂分子是一种典型的两性分子，由亲水端和亲油端构成。当表面活性剂分子浓度没有达到临界胶束浓度之前，单体分子呈分散状态分布，溶液的性质属各向同性。因此，溶液一般显示牛顿流体的性质。当浓度达到临界胶束浓度之后，表面活性剂分子聚集成各种微观形状的胶束结构，这种各向同性的平衡也就被打破了，溶液呈现出各向异性的性质。与此同时，溶液的性质发生了很大的变化，会显示流变性。与流变性质相关的参数有剪切粘度、粘弹性、法向应力差和拉伸粘度等。表面活性剂溶液的流变学特性受到很多因素的影响，如溶液温度、溶液浓度、表面活性剂种类、抗衡离子种类等等。测量不同的流变特性要用到不同的实验装置，本文中对剪切粘度的测量主要应用了美国TA公司出品的ARES-G2 流变仪。
为了研究表面活性剂浓度对溶液流变性的影响，本实验中配制了一系列AES-MAP混合溶液。溶液组成如下表3-12表示。在25℃条件下，对上述溶液做静态速率扫描实验，得出AES-MAP混合溶液剪切粘度和剪切速率的关系，实验结果如图3.15。
表3-12 AES-MAP溶液组成
成分 %
AES 3 3 3 3 3
MAP 1 3 5 7 9
WATER TO 100 TO 100 TO 100 TO 100 TO 100
图3.15 AES-MAP混合溶液剪切粘度—剪切速率曲线
图3.15表示出在AES质量分数为3%，MAP质量分数分别为1%，3%，7%，9%的系列溶液剪切粘度与剪切速率之间的关系。从图中容易看出，随着MAP质量分数的增大，溶液剪切粘度增大，对于MAP-7%以上的溶液呈现剪切稠化-稀化-不变的特性；并且随着剪切速率的增大，溶液粘度逐渐减小，当剪切速率大于0.1/s后，溶液粘度逐渐趋于稳定不变。
根据此图分析，离子表面活性剂溶液在低剪切速率下应该属于非牛顿流体。非牛顿流体的粘度不仅与温度有关，还与剪切速率和剪切应力有关，它又可分为塑性流体、假塑性流体和膨胀性流体等主要类型。塑性流体存在应力屈服值σ0，当应力小于屈服值时，体系只发生弹性形变而不流动。屈服值的存在主要由于塑性流体中的不对称粒子在剪切应力作用下形成了网络结构，从而阻止了流体的流动。泥浆、牙膏等都表现为塑性流体行为。假塑性流体没有屈服值，但有剪切稀释现象，多数高分子溶液和乳状液属于这类流体。膨胀型流体与假塑性流体相反，它有剪切增稠现象。此溶液应该属于假塑性流体。
粘度的显著变化认为是由胶束结构的变化引起的，粘度随着浓度升高而降低，表明溶液中的球形胶束开始形成棒状胶束。在高剪切速率下，粘度不随剪切速率的增大变化，溶液接近于牛顿液体性质。此现象可能由于溶液中的大分子被高速剪切成小分子，粘度极低，基本不再随着剪切速率的增加而改变。随着剪切率的增大，胶束受到溶质流动的影响，胶束方向逐渐趋向于流动方向，故粘度减小；胶束受到剪切的作用而形成网状结构，在剪切增稠区，网状结构的弹性作用占主导，故在此区域随剪切的增大粘度增大；之后，网状结构逐渐遭到破坏，粘度随剪切率的增大而减小；在剪切率大于一限定值后，胶束的方向与流动法向已完全一致，故粘度的变化也不大。