高分子流變學(xué)基礎(chǔ)普通高等教育十一五國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材.doc

高分子流變學(xué)基礎(chǔ)(普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材) 作者:史鐵鈞吳德峰 基本信息出版社：化學(xué)工業(yè)出版社頁(yè)碼：120 頁(yè)出版日期：2009年06月ISBN：712204565X/9787122045652條形碼：9787122045652市場(chǎng)價(jià)：17.00內(nèi)容簡(jiǎn)介高分子流變學(xué)基礎(chǔ)是一本普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材。高分子流變學(xué)基礎(chǔ)是在高分子化學(xué)、高分子合成工藝原理、高分子物理以及工程力學(xué)等課程的基礎(chǔ)上，著重介紹流變學(xué)的基本原理和高分子材料流動(dòng)與變形的基本行為，努力闡明高分子材料流動(dòng)變形行為與經(jīng)典黏性體和彈性體之間的不同，深入討論剪切作用、溫度、壓力、結(jié)構(gòu)和時(shí)間等因素對(duì)高分子流變性質(zhì)的影響，并介紹了流變物質(zhì)的測(cè)試原理和基本研究方法。進(jìn)一步為高分子材料及其制品的設(shè)計(jì)優(yōu)化、加工工藝和加工設(shè)備的選擇改進(jìn)提供必要的理論依據(jù)。 目錄第1章 緒論1.1 流變學(xué)的歷史和現(xiàn)狀1.2 流變學(xué)的研究對(duì)象和方法1.2.1 流變學(xué)關(guān)于物質(zhì)的定義1.2.2 流變學(xué)的研究方法1.2.3 流變學(xué)關(guān)于高分子的定義1.3 高分子材料典型的流變行為1.4 流變學(xué)在高分子材料加工中的應(yīng)用第2章 流變學(xué)的基本概念2.1 流體形變的基本類(lèi)型2.1.1 拉伸和單向膨脹2.1.2 各向同性的壓縮和膨脹2.1.3 簡(jiǎn)單剪切和簡(jiǎn)單剪切流2.2 標(biāo)量、矢量和笛卡兒張量的定義2.2.1 標(biāo)量、矢量、張量的物理定義2.2.2 標(biāo)量、矢量、張量的數(shù)學(xué)定義2.2.3 張量的運(yùn)算2.2.4 張量的重要特性2.3 應(yīng)力張量和應(yīng)變張量2.3.1 應(yīng)力張量2.3.2 應(yīng)變張量2.3.3 應(yīng)變速率張量2.4 本構(gòu)方程和材料函數(shù)第3章 高分子流體的流變模型3.1 牛頓流體模型3.2 廣義牛頓流體3.3 冪律流體模型3.3.1 冪律流體3.3.2 假塑性流體3.3.3 脹塑性流體3.4 賓漢塑性流體模型3.5 觸變性流體3.6 震凝性流體3.7 黏彈性流體3.7.1 彈性參數(shù)3.7.2 黏彈性模型3.7.3 高分子流體的黏彈行為第4章 高分子流體的流動(dòng)分析4.1 高分子流體在圓管中的流動(dòng)4.1.1 冪律流體在長(zhǎng)圓管中壓力流動(dòng)4.1.2 賓漢流體在長(zhǎng)圓管中壓力流動(dòng)4.2 平行板間的壓力流動(dòng)4.3 平行板間的拖曳流動(dòng)4.4 環(huán)形圓管中的壓力流動(dòng)4.5 環(huán)形圓管中的拖曳流動(dòng)第5章 高分子流體流動(dòng)的影響因素5.1 剪切速率對(duì)黏度的影響5.2 分子量對(duì)黏度的影響5.2.1 黏度的分子量依賴性5.2.2 黏度的分子量分布依賴性5.2.3 動(dòng)態(tài)流變性質(zhì)的分子量依賴性5.分子形狀對(duì)黏度的影響5.1 支化5.2 其他結(jié)構(gòu)因素5.黏度的時(shí)間依賴性5.壓力對(duì)黏度的影響5.溫度對(duì)黏度的影響5.1 黏度溫度之間的函數(shù)關(guān)系5.2 流動(dòng)活化能5.3 影響流動(dòng)活化能的因素5.4 黏度溫度的其他經(jīng)驗(yàn)方程5.5 溫度依賴性總曲線第6章 流變儀的基本原理及應(yīng)用6.1 毛細(xì)管流變儀6.1.1 基本結(jié)構(gòu)6.1.2 完全發(fā)展區(qū)的流場(chǎng)分析6.1.3 入口壓力降的典型應(yīng)用6.1.4 出口區(qū)的流動(dòng)行為6.1.5 測(cè)試方法6.1.6 基本應(yīng)用6.1.7 毛細(xì)流變儀測(cè)黏數(shù)據(jù)處理6.2 旋轉(zhuǎn)流變儀6.2.1 基本結(jié)構(gòu)6.2.2 錐板6.2.3 平行板6.2.4 同軸圓筒6.2.5 測(cè)量系統(tǒng)的選擇6.2.6 測(cè)量模式的選擇6.2.7 具體應(yīng)用6.3 轉(zhuǎn)矩流變儀6.3.1 基本結(jié)構(gòu)6.3.2 基本原理6.3.3 基本應(yīng)用第7章 流體的運(yùn)動(dòng)方程及應(yīng)用7.1 連續(xù)方程7.2 動(dòng)量方程7.3 能量方程7.4 加工過(guò)程的數(shù)學(xué)分析7.4.1 擠出成型7.4.2 注射成型7.4.3 壓延成型參考文獻(xiàn)序言高分子流變學(xué)是高分子材料及工程專業(yè)的必修課。本教材在高分子化學(xué)、高分子合成工藝原理、高分子物理以及工程力學(xué)等課程的基礎(chǔ)上，著重介紹流變學(xué)的基本原理和高分子材料流動(dòng)與變形的基本行為，努力闡明高分子材料流動(dòng)變形行為與經(jīng)典黏性體和彈性體之間的不同之處，深入討論剪切作用、溫度、壓力、結(jié)構(gòu)和時(shí)間等因素對(duì)高分子流變性質(zhì)的影響，并介紹流變學(xué)的測(cè)試原理和基本研究方法。進(jìn)一步為高分子材料及其制品的設(shè)計(jì)優(yōu)化、加工工藝和加工設(shè)備的選擇改進(jìn)提供必要的理論依據(jù)。本教材是面向化學(xué)化工、高分子材料專業(yè)本科生學(xué)習(xí)流變學(xué)的教學(xué)用書(shū)，也可作為研究生的教學(xué)參考書(shū)。但它并非是一本流變學(xué)的專著，不可能涉及流變學(xué)的全部?jī)?nèi)容。由于流變學(xué)學(xué)科交叉的特點(diǎn)，本書(shū)力求深入淺出地講清楚流變學(xué)最基本的理論問(wèn)題，盡可能的避免煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，減少讀者望而生畏的情緒，使學(xué)生學(xué)會(huì)用流變學(xué)的基本原理來(lái)分析高分子材料的流變行為，提高解決問(wèn)題的能力，同時(shí)為進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下必要的基礎(chǔ)。本書(shū)共分為7章：緒論、流變學(xué)的基本概念、高分子流體的流變模型、高分子流體的流動(dòng)分析、高分子流體流動(dòng)的影響因素、流變儀的基本原理及應(yīng)用和流動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程及應(yīng)用。第1章“緒論”在介紹了流變學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史的基礎(chǔ)上，明確了流變學(xué)的研究方法及對(duì)物質(zhì)的科學(xué)定義。因此在第2章“流變學(xué)的基本概念”中，首先描述了材料發(fā)生各種變形或流動(dòng)時(shí)涉及的一些基本物理量如應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變速率以及彼此在簡(jiǎn)單流變過(guò)程中的數(shù)學(xué)關(guān)系，使讀者能夠?qū)V義的流動(dòng)與變形的基本力學(xué)行為有所認(rèn)識(shí)；第3章“高分子流體的流變模型”則從基本的本構(gòu)關(guān)系出發(fā)，介紹了高分子流體典型的流變行為，如剪切變稀、剪切增稠、塑性流動(dòng)、觸變性、黏彈性等，使學(xué)習(xí)者能夠認(rèn)識(shí)到高分子流體流動(dòng)與變形的復(fù)雜性；然后結(jié)合加工成型，在第4章“高分子流體的流動(dòng)分析”中重點(diǎn)分析了高分子流體在圓管中的壓力流動(dòng)，并介紹了其他一些常見(jiàn)的簡(jiǎn)單流動(dòng)，明確了加工過(guò)程中宏觀物理量如壓力、轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)矩）、流速等與高分子流體黏度間的數(shù)學(xué)關(guān)系；在此基礎(chǔ)上，在第5章“高分子流體流動(dòng)的影響因素”中，進(jìn)一步分析了高分子結(jié)構(gòu)、形態(tài)、加工溫度、壓力等因素對(duì)高分子流體流動(dòng)的影響，讓學(xué)習(xí)者能夠清楚即便是簡(jiǎn)單流動(dòng)，但對(duì)于高分子流體來(lái)說(shuō)，其影響因素也是復(fù)雜的；而要明確這些影響因素與高分子流變行為間的定性和定量的關(guān)系，則必須利用測(cè)黏儀器通過(guò)具體的測(cè)黏方法來(lái)獲得流動(dòng)與變形過(guò)程中的黏度、模量等基本的力學(xué)響應(yīng)，這就是第6章“流變儀的基本原理及應(yīng)用”的主要內(nèi)容；最后，第7章“流動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程及應(yīng)用”介紹了流體動(dòng)力學(xué)的三大基礎(chǔ)方程，即連續(xù)性方程、運(yùn)動(dòng)方程和能量方程。然后在這些知識(shí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合成型加工實(shí)際，從物料輸運(yùn)的角度出發(fā)，以流變學(xué)理論分析了混煉、擠出成型、注射成型等幾類(lèi)常見(jiàn)的高分子成型過(guò)程。作者在講授流變學(xué)課程近20年的基礎(chǔ)上，又進(jìn)行了一段時(shí)間流變學(xué)研究，體會(huì)頗多。通過(guò)對(duì)本教材的編寫(xiě)，覺(jué)得有必要好好總結(jié)一下對(duì)流變學(xué)的認(rèn)識(shí)。流變學(xué)教材應(yīng)該有兩項(xiàng)重要任務(wù)：一是能為高分子工程提供有效的計(jì)算方法，二是能夠說(shuō)清楚流變的本質(zhì)。對(duì)于高分子流變學(xué)來(lái)說(shuō)，主要要說(shuō)清楚黏性、彈性和黏彈性的物理本質(zhì)。就這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，這些物理本質(zhì)實(shí)際上都是高分子物理的基礎(chǔ)問(wèn)題?；谝陨峡紤]，才形成了本教材的章節(jié)，即多年從事流變學(xué)教學(xué)的內(nèi)容。除了闡明教材的內(nèi)容外，如何理解和認(rèn)識(shí)流變學(xué)對(duì)于提高學(xué)生學(xué)習(xí)流變學(xué)的興趣是非常重要的。因此，不僅需要一本令人滿意的教材，還要有比較生動(dòng)的講授方法。否則多數(shù)學(xué)生還是會(huì)覺(jué)得流變學(xué)是一門(mén)較難掌握的課程。在本書(shū)的編寫(xiě)過(guò)程中，得到了合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)校和教務(wù)處領(lǐng)導(dǎo)的大力支持，在此特別表示感謝。同時(shí)，也要感謝吳德峰博士為本書(shū)的成稿付出了辛勤勞動(dòng)。本書(shū)參考了不少流變學(xué)的教材和專著，在此一并感謝這些精深學(xué)術(shù)造詣的流變學(xué)專家和學(xué)者。最后還要感謝我的老師吳大誠(chéng)教授，我對(duì)流變學(xué)的認(rèn)識(shí)及對(duì)流變學(xué)略有研究是從聽(tīng)吳大誠(chéng)教授的流變學(xué)課程開(kāi)始的。限于作者水平，以及流變學(xué)涉及的概念、公式和數(shù)字非常繁多，疏漏和錯(cuò)誤之處在所難免，敬請(qǐng)同行和讀者批評(píng)指正。史鐵鈞2008年10月于合肥工業(yè)大學(xué) 文摘插圖：第1章 緒論1.1流變學(xué)的歷史和現(xiàn)狀多數(shù)的教材中都將流變學(xué)定義為研究材料流動(dòng)和變形的科學(xué)。這樣的定義并沒(méi)有考慮到材料流動(dòng)的差異性和變形的差異性，也沒(méi)有限定材料的本征特性，所以上述的定義是廣義的，范圍非常大。因此，高分子流變學(xué)也就可以定義為研究高分子材料流動(dòng)和變形的科學(xué)。流變學(xué)的早期發(fā)展來(lái)源于人類(lèi)的生產(chǎn)活動(dòng)，并體現(xiàn)在人類(lèi)思想史的發(fā)展上。早在上古時(shí)期，我們的祖先就通過(guò)自己的聰明智慧積累了一些關(guān)于物質(zhì)流動(dòng)和變形的知識(shí)并在實(shí)踐活動(dòng)中得到應(yīng)用。例如公元前1500年，古埃及人發(fā)明了一種“水鐘”，它與陶制沙漏相似，用以測(cè)定容器內(nèi)水層高度與時(shí)間的關(guān)系以及溫度對(duì)流體黏度的影響，而實(shí)際上沙漏本身其實(shí)就是流變學(xué)最為古老、經(jīng)典的應(yīng)用實(shí)例之一。在計(jì)時(shí)的過(guò)程中，沙粒由于自重在不斷的流動(dòng)著，而其流速也隨自重的變化而變化，這樣不斷變化著的流動(dòng)與時(shí)間之間的關(guān)系正是古人流變學(xué)的思想在實(shí)踐活動(dòng)中的體現(xiàn)。類(lèi)似的例子還有很多，比如我國(guó)的墨經(jīng)中記載，早在2000多年前我們的祖先就已經(jīng)將流變學(xué)的知識(shí)應(yīng)用在農(nóng)田灌溉、河道分流、防洪治汛等方面。 正是這些流變學(xué)知識(shí)在實(shí)踐中的不斷應(yīng)用，反過(guò)來(lái)又進(jìn)一步促進(jìn)了人類(lèi)對(duì)流變學(xué)思想理解的深化。公元前六世紀(jì)，古希臘哲學(xué)家赫拉克里的名言“萬(wàn)物皆流(Everything willflow)”在人類(lèi)社會(huì)中廣為流傳。我國(guó)古代思想家孔子也有類(lèi)似的名言：“逝者如斯夫，不舍晝夜！”這些將事物看做是運(yùn)動(dòng)變化的思想，實(shí)際上就是流變學(xué)中關(guān)于材料性質(zhì)認(rèn)識(shí)論的萌芽。5.5壓力對(duì)黏度的影響壓力之所以會(huì)對(duì)高分子黏度產(chǎn)生很大影響，是因?yàn)楦叻肿又写嬖诖罅康淖杂审w積。自由體積理論最早是由Fox和Flory提出。他們認(rèn)為高分子中，其體積由兩部分組成：一部分是被分子占據(jù)的體積，稱已占的體積；另一部分是未占據(jù)的自由體積。正是這些自由體積的存在，長(zhǎng)分子鏈的化學(xué)鍵才能夠內(nèi)旋轉(zhuǎn)。所以高分子流體與小分子不同是可壓縮液體，其體積模量約為10sNm2。在加工溫度下的壓縮性比普通低分子液體大得多。一般情況下，聚合物熔體的加工壓力多為10。10Pa（10lOOatm），體積壓縮量約小于1。注塑加工所用的加工壓力可達(dá)10。Pa（1000atm）以上，流體會(huì)出現(xiàn)明顯的體積壓縮。體積壓縮必然引起自由體積減小，使高分子流體流動(dòng)性降低、黏度增加，注塑大型的、形狀復(fù)雜的或壁厚不均勻的高分子制品，比如汽車(chē)水箱、大型家電外殼等，就需要很高的壓力。在生產(chǎn)上可能會(huì)出現(xiàn)這樣的情況：某種高分子在普通壓力范圍內(nèi)可以加工成型，但當(dāng)壓力過(guò)大時(shí)，黏度太高，材料變硬，從而使加工成型困難甚至不能成型。所以在沒(méi)有可靠依據(jù)的情況下，不能將