非牛顿流体在缓冲带制作方面的应用探究

张懿德 樊新梅 沈朱蔚 朱文宇

摘 要：近年来，非牛顿流体材料凭借特殊的流变性能得到广泛的应用。为了探索非牛顿流体的应用，在研究非牛顿流体的特性及发展的基础上，项目小组同学通过实验研究非牛顿流体材料在缓冲带制作方面的应用。

关键词：非牛顿流体;流变性能;缓冲带

在一个综艺节目中，主持人提出如何运用口香糖道具将椰子砸开，当小朋友将口香糖捏成尖锥体快速扎向椰子，椰子被砸开了。这一幕让在场嘉宾都惊呆了：看似软软的口香糖居然可以将外壳坚硬的椰子砸开！有点不可思议。这就是利用了非牛顿流体的神奇特性，那么非牛顿流体是什么呢？

先介绍一下非牛顿流体理论的来源：英国科学家牛顿通过设计一个以水为工作介质的一维剪切流动实验，据此得到了牛顿黏性定律。基于此斯托克斯将三项条件进行理想化假设，进而导出了在流体力学研究方面得到广泛应用的线性本构方程及得到普遍应用的纳维斯托克斯方程。随后人们进一步了解到前人的两个基础性研究适用于低分子量，例如空气和水等，但对于高分子量的流体而言，剪应力与相应的剪切应变率之间则不存在线性关系，符合非牛顿流体的特性。非牛顿流体在生活中是普遍存在的，甚至绝大多数生物体内的液体以及多数食品、工业中的液体都是非流顿体。

近年来随着聚合物工业的快速发展，非牛顿流体的研究也有了较大的进展。专家学者不断地研究非牛顿流体的性质，发现非牛顿流体具备无管虹吸、湍流减阻、爬杆效应、射流胀大、液流反弹等特性。

缓冲带作为交通道路网络中的重要部件，在设计时除了要考虑密封、制造工艺、平面厚度以及外观与道路系的协调性。尽可能保证缓冲带在长时间受到高强度的冲击下，有最小程度的损坏，进而保障交通网络的持续健康运行。因此缓冲带结构的设计与改进对交通网络的健康运行有着至关重要的作用。

非流顿体在外力冲击下会改变其粘度或流动性，当受到缓慢、柔和的外力作用时，呈现柔软的液态，因此产生的阻力也较小;当受到剧烈的外力作用时，呈现出坚硬的状态，产生较大的阻力，甚至出现坚硬的固体状态。基于此特性，创新项目小组的同学将缓冲带中间镂空化设计，将非牛顿流体填入中间。项目组同学通过实验来探究缓冲带填充液的配制。通过多次实验，进行材料的制作以及减速性能测试。

首先合理筹备该项目的制作道具，以尽可能减少成本，提高缓冲带制作水平及缓冲带的质量;组长分配好项目组各个成员的工作。

在配制填充液的过程中，通过调节缓冲液的比例发现，防冻液、淀粉、水以1：3：2比例进行配置得到的缓冲液浓度最合适。但通过对项目的进一步实验研究，发现按该比例配置好的缓冲液，在静止放置一段时间之后，会产生溶液分离的现象，水和淀粉会出现分离。项目小组的同学通过查阅书籍文献以及各种网络资源，最终通过资料了解到，水和淀粉出现分离是因为溶液的稳定性不好，可以通过增加食用油来增加溶液的稳定性。当水、油和淀粉同时存在的情况下，可以最大程度地降低溶液的分离程度。溶液穩定性不好的问题得到了较好的解决。

接下来在暑假里的一个月中，团队组员在实验中发现溶液会因为高温腐坏。原因是在高温天气情况下，淀粉的存在使溶液容易产生变质。虽然找到了问题，但是依旧没有解决实际问题的办法。虽然实验条件下缓冲液可以放进冰箱保鲜，不产生变质。但考虑到实际高温天气的情况下，对缓冲带单独冷存难以实现，所以这个方法不可行。经过多次实验以及资料的查阅，始终不能让它保持新鲜。缓冲材料因高温腐坏暂停进展，小组成员又尝试了多种材料和多种方法，加入大量的油虽然可以使溶液在一定程度上防止腐败，但是油的加入会降低溶液的冰点，使溶液在寒冷的环境容易变硬。高温的问题使流体出现变质或者发臭等问题，严重影响了溶液的稳定性，这对于缓冲带的实际使用也有较大的限制。经过借阅书籍，上网查找等各种办法，发现山梨酸钾可以较有效地解决高温这个问题。缓冲液配料上加入了一些非牛顿流体，使它完全溶解于水中，然后再适当的加入了高锰酸钾，提升溶液稳定性。

经过反复实验，找到了适合制作缓冲带需要的缓冲液配料及比例，按照指标进行缓冲带的制作。解决了利用非牛顿流体配制缓冲液的配制问题之后，开始探究思考该如何将非牛顿流体转入实物应用之中，制作可用的缓冲带成品。

在制作过程前，项目小组成员聚集在一起头脑风暴，列举了很多计划在制作材料上，由于成品必须要经过试验得到论证，必须要准备厚实并且牢固的材料来填充非牛顿流体，在经过讨论之后，初步决定使用橡胶管来填充溶液。

在制作成品前期，小组成员们进行了小型非牛顿流体实验，测量按比例制作溶液需要多少材料，在经过小容量多次运用试验之后，把握制作非牛顿流体的控制用量，对非牛顿流体效果进行小范围探索。经过对非牛顿流体的研究，发现它的作用远非如此，在完成缓冲带后会继续对非牛顿流体展开探究。

在探索过程中小组成员也遇到了新的问题，比如之前理论分析确定的填充方式实际中实施起来有难度，需要优化装填方式。在非牛顿流体制作完成后，项目小组成员按前面计划进行开始制作盛放缓冲液的外部材料，在购买材料之后，小组成员遇到很多问题，例如材料并没想象中的厚实，容易导致非牛顿流体泄露，因为材料大小的不足，导致填充的非牛顿流体后的成品并不能作为缓冲带进行实验，材料的问题和制作上的不足，导致制作成品遇到困难。

只能够使用新的一些构思来制作缓冲带。购买不同的材料，然后再次对比第一次的制作过程，观察如何优化制作方法，改进缓冲带的模型。同时，经历过上次的失误，这次调整改变装填方法，改为分段装填，发现这样做既有助于加快装填速度，又方便检查维修。

改进方案之后，小组成员加快了进程，小组成员将之前的缓冲带的外观加以改进，使用了一些喷漆，进行一些精加工，做成了缓冲带模型。通过实验测试，检验缓冲带的缓冲效果，使牛顿流体在缓冲带的使用上更加合理化。在结束了缓冲带的制作后，根据之前多次试验，这次使用了螺丝将缓冲带模型的两边封住，完成了缓冲带最后的一步。

通过此次创新项目，探究了如何提升缓冲带的功能性以及安全性。制作此次项目过程中，遇到了很多的问题与困难，小组成员虚心学习并探索，经过了很多尝试，尝试了各种材料进行了多次制作，最终完成了任务。在这次历经几个月的项目实施过程中，项目小组同学明白了一个道理，要勇于创新，勤于发现，才能不断发现新的知识。

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