非線性粘性非牛頓PPT

1、關(guān)于非線性粘性非牛頓第一張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月假塑性：粘度隨剪切速率的增大而下降的性質(zhì)稱為假塑性。圖5-2 流動(dòng)時(shí)分散粒子的變化靜止時(shí)流動(dòng)時(shí)定向 伸展變形 分散第二張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月塑 性：流體流動(dòng)存在一屈服應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力 小于屈服應(yīng)力時(shí)，流體不流動(dòng)，只 發(fā)生應(yīng)變，剪切速率為零。 如果用一轉(zhuǎn)軸在液體中快速旋轉(zhuǎn)，聚合物熔體或溶液與低分子液體的液面變化明顯不同，低分子液體受到離心力的作用，中間部分液面下降，器壁處液化面上升，高分子 1.2 “爬桿”現(xiàn)象(韋森堡效應(yīng))脹流性：粘度隨剪切速率的增大而上升的性 質(zhì)稱為膨脹性。第三張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于202

2、2年6月靜止時(shí)牛頓流體非牛頓流體圖3 爬桿現(xiàn)象熔化或溶液受到向心力作用，液面在轉(zhuǎn)軸處是上升的，在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上形成相當(dāng)厚的包軸層，這種現(xiàn)象稱為“爬桿”現(xiàn)象。第四張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月A BA B甘油水溶液聚丙烯酰胺+甘油圖4 離心力與法向應(yīng)力1.3 擠出脹大(Barus effect) 熔體擠出模孔后，擠出物的截面積比模孔截面積大的現(xiàn)象。第五張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 聚合物熔體和溶液的流動(dòng)不符合牛頓定律，它的粘度與剪切速率有關(guān)，并在流動(dòng)中產(chǎn)生法向應(yīng)力效應(yīng)。這種流體被稱為非牛頓流體，其流動(dòng)特性稱為非線性粘性。對于牛頓體：對于非牛頓體：(指數(shù)定律) (1)對牛頓體，

3、n=1;對假塑性體,n1。(1)式還可用其他的形式表示：2. 非牛頓流體的穩(wěn)態(tài)剪切流動(dòng)第六張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月2.2 微分粘度或真實(shí)粘度(c) 微分粘度或真實(shí)粘度(c)為通過A點(diǎn)的該曲線的切線斜率。 即：2.1 表觀粘度(a) 表觀粘度a為直線OA的斜率。第七張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月3. Weissenberg-Rabinowithch校正 在圓管的層流中，對牛頓流體，有：切線牛頓流體非牛頓流體A0圖5-5 非牛頓流體的粘度 (2) (3) (4)第八張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 對非牛頓流體，(2)式仍成立，但(3)和(4)式不成立。用毛

4、細(xì)管粘度計(jì)測定非牛頓流體的粘度，提出一種校正的方法。對于牛頓流體，管壁處的剪切速度：對于非牛頓流體，上式為管壁處的表觀剪切速率。第九張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月牛頓剪切速度與真實(shí)剪切速率的關(guān)系：在以r表示的任意一點(diǎn)上，即當(dāng)vz=vz(r)時(shí),積分后得：(1)(2)(3)第十張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月積分常數(shù)C可根據(jù)邊界條件(r=R, vz=0)求出,然后代入(3)式，得：(4)體積流量：由于： 積分得：(5)當(dāng)r=0時(shí)，vz=vmax。則有：第十一張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月利用(5)式，得：(Hagen-Poiseuille方程 )對牛頓體，n=1

5、。則有：對牛頓體，有：一般情況下：第十二張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月對于牛頓體，有：按照定義，有：從Hagen-Poiseuille方程得出：由此得：(6)第十三張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月從上式可以看出：或:(7)把(6)式代入(7)式得：(Weissenberg-Rabinowitsch修正)第十四張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月根據(jù)指數(shù)定律的定義得：圓管層流流速分布：n=0 n=0.1 n=1 n=3 n=第十五張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 用毛細(xì)管粘度計(jì)測定非牛頓流體的粘度，需要作兩項(xiàng)校正 ，即Weissenberg校正和Bagley

6、校正。Bagley校正：或Weissenberg校正：通過此校正可求出管壁處的真實(shí)剪切速率，從而求出在剪切應(yīng)力下的非牛頓流體的粘度。如圖5-6。第十六張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月圖5-6 Weissenberg 流動(dòng)曲線 A第十七張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月對狹縫機(jī)頭型的粘度計(jì)，如用來測定非牛頓流體的粘度，Weissenberg校正為：式中：w是寬度；h是高度。4. 非牛頓流體的流動(dòng)曲線 由于非牛頓流體的應(yīng)力與剪切速率一般不存在線性關(guān)系，通常用曲線的形式來表示它們的流動(dòng)特征。第十八張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月4.1 流動(dòng)曲線的分析111111（1） 第

7、一牛頓區(qū) 聚合物分子鏈雖受剪切速率的影響，分子鏈定向、伸展或解纏繞，但在布朗運(yùn)動(dòng)的作用下，它仍有足夠的時(shí)間恢復(fù)為無序狀態(tài)。圖5-7 假塑性非牛頓流體的流動(dòng)曲第十九張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月(3)第二牛頓區(qū) 在該區(qū)內(nèi)，分子鏈的纏繞已完全解體。當(dāng)剪切速率進(jìn)一步增加時(shí)，發(fā)生熔體破裂。圖5-8 擠出膨脹和 熔體破裂(2) 假塑性區(qū)或剪切稀化區(qū) 在該區(qū)內(nèi)，剪切作用已超過布朗運(yùn)動(dòng)的作用。分子鏈定向、伸展并發(fā)生纏繞的逐漸解體，而且不能恢復(fù)。第二十張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月流動(dòng)曲線用雙對數(shù)坐標(biāo)表示，如圖5-9。 在假塑性區(qū)，斜率nr0:對rr0或r=r0 :第二十四張，PPT共

8、五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月圖5-10 流動(dòng)曲線 4.4 觸變性 (Thixotropy) 在恒定溫度下，材料受剪切作用后的表觀粘度隨時(shí)間連續(xù)下降，靜止時(shí)粘度又隨之恢復(fù)者謂之觸變性。如42%的石膏漿。1212圖5-11 粘度曲線第二十五張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 觸變性流體通常具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(凝膠)，由分子間的氫鍵等作用力而形成 。由于這種力很弱，受剪切力作用，很容易斷裂，凝膠逐漸破壞，這種破壞是有時(shí)間依賴性的，最后會(huì)達(dá)到在給定剪切速率下的最低值，這時(shí)凝膠會(huì)破壞，成為“溶膠”。 當(dāng)剪切力消失時(shí)，凝膠結(jié)構(gòu)又會(huì)逐漸恢復(fù)，但恢復(fù)的速度慢得多。觸變性就是凝膠結(jié)構(gòu)形成和破壞的能力。第

9、二十六張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月粘度-時(shí)間曲線溶膠凝膠常數(shù)試樣靜止4.5 震凝性(Rheopexy) 與觸變性相反，粘度隨剪切時(shí)間的增長而增大。而在靜止后，又逐漸恢復(fù)到原來的低粘度。如油酸胺懸浮液。 觸變性材料必然是假塑性體，但假塑性體材料不一定是觸變體。第二十七張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月5. 聚合物熔體的流動(dòng)曲線 5.1 溫度對聚合物熔體粘度的影響 對低分子物質(zhì)，粘流活化能由下式表示： 對聚合物熔體，d/dT表示粘度的溫度依賴性，它也有活化能的概念。 圖5-12為低密度聚乙烯在不同溫度時(shí)的流動(dòng)曲線。 震凝性材料必然是脹流體，但脹流體材料不一定具有震凝性。第二十

10、八張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月從圖中看出：(1)在低剪切區(qū)，剪切應(yīng)力與剪切速率成線 性關(guān)系，達(dá)到某一剪切速率后出現(xiàn)非線 性。圖5-12 不同溫度下LDPE的流動(dòng)曲線LDPEL/D=66.7120 150 200 300 第二十九張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月(2) 粘流活化能可用兩種方法表示。一 種是 恒定剪切應(yīng)力；另一種是恒定剪切速率。圖5-13 剪切速率或剪切應(yīng)力一定時(shí)的粘流活化能T T增大增大一定時(shí)一定時(shí)T固定固定第三十張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月高剪切速率區(qū) 低剪切速率區(qū)（3）流動(dòng)曲線的約縮 等溫曲線具有類似的形狀，把這些曲線作水平方向的移動(dòng)，就

11、能使這些等溫曲線互相重疊變?yōu)橐粭l平滑的曲線。第三十一張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 以200的曲線為基線(稱為參考溫度)，把250的曲線向左平移0.5，就能與200的曲線重疊。 圖5-13 約縮流動(dòng)曲線約縮曲線 0 0.5 1 2 3abd250 200 175 c第三十二張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 平移的量為lgaT=0.5，aT =100.5(移動(dòng)因子)；175的曲線則向右移約0.3，就能與200的曲線重疊，叫做總流動(dòng)曲線或約縮流動(dòng)曲線。 總曲線的橫坐標(biāo)用 表示。在參考溫度時(shí)，aT=1，橫坐標(biāo)不變。如要表示250時(shí)的流動(dòng)曲線，這時(shí)橫坐標(biāo)為 ，即橫坐標(biāo)向左移0.5

12、，總曲線就變成250時(shí)的總曲線。第三十三張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月5.2 分子量對聚合物熔體粘度的影響圖5-14 不同分子量的PDMS 的流動(dòng)曲線圖5-15 非牛頓液體粘度的 分子量依賴性分子量對非牛頓流體粘度的影響lgM增大熔體破裂區(qū)lg分子量增大第三十四張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）對圖5-14，分子量較低或剪切速率較小時(shí)表現(xiàn)為牛頓流體。隨著分子量的增大，開始出現(xiàn)偏離線性粘性，分子量越高，在越低的剪切速率時(shí)開始出現(xiàn)非線性。隨著剪切速率的增大，粘度的分子量依賴性變小。（2）對圖5-15，剪切速率越大，在越低的分子量時(shí)就出現(xiàn)偏離牛頓流體的情況；曲線的鈄率隨剪切

13、速率增大而減少。第三十五張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 也可用來表示分子量的影響，如圖 上述曲線也可以重疊成約縮曲線，但這時(shí)須同時(shí)作水平及垂直移動(dòng)。圖5-16 不同分子量聚合物的粘度與剪切 速率的關(guān)系lg(MPa.s)48,500117,000179,000217,000242,000 0 1 2 3 5 4 3 第三十六張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 拉伸應(yīng)變速率或拉伸速度梯度為：對于單軸拉伸：對于雙軸拉伸：拉伸粘度(特魯頓粘度或Trouton粘度)定義為：5.3 聚合物熔體的拉伸粘度第三十七張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月聚合物幾種主要加工方法的剪切速率范

14、圍 模壓成型 1100s-1 壓延成型 10100s-1 擠出成型 1000s-1 注塑成型 10000s-1涂料不同施工方法的剪切速率范圍 (Pa)10-1 100 101 102 103 104 105 流平 浸涂 刷涂 噴涂5.4 聚合物熔體粘度與其加工第三十八張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 對非牛頓流體，法向應(yīng)力不同。(1)第一法向應(yīng)力差，用 表示，它是 的函數(shù)。 6.1 法向應(yīng)力差 在簡單剪切流動(dòng)中，對牛頓流體，法向應(yīng)力都是相等的：式中， 為第一法向應(yīng)力系數(shù)。6. 法向應(yīng)力效應(yīng)第三十九張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月法向應(yīng)力差定義中下標(biāo)1，2，3規(guī)定如下： 下標(biāo)

15、1：流動(dòng)方向； 下標(biāo)2：速度梯度方向； 下標(biāo)3：中性方向。式中， 為第二法向應(yīng)力系數(shù)。（2）第二法向應(yīng)力差，用 表示，它 是 的函數(shù)。第四十張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月FF圖5-17 剪切流動(dòng)中的法向應(yīng)力第四十一張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月在Poiseuille流動(dòng)中：在Couette流動(dòng)中：在錐板流動(dòng)中：第四十二張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 通常，在簡單剪切流中， 和 是正值，而 是很小的負(fù)值。法向應(yīng)力效應(yīng)是非牛頓流體的特性。牛頓流體必須滿足的條件：第四十三張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 如果不考慮慣性，同時(shí)圓錐與平板間的夾角很小，則法向

16、應(yīng)力t與離旋轉(zhuǎn)軸的距離r有如下關(guān)系：儀器：錐板流變儀方法：(1) 測定法向應(yīng)力隨離旋轉(zhuǎn)軸距離 的變化； (2) 測定流體作用在圓錐和平板上 的總法向力。6.2 法向應(yīng)力差的測定第四十四張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 要使圓錐-平板保持穩(wěn)定，必須對它施加的總法向應(yīng)力為： 迄今，測定法向應(yīng)力大多數(shù)是測定總法向力，采用的儀器為改裝的錐板粘度計(jì)。總法向應(yīng)力通過裝在與平板軸連接的支座上的傳感器來測量。 測定法向應(yīng)力 隨r的變化用如下的方法。如不施加上述法向力，圓錐和平板會(huì)分開。(1)第四十五張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月h(r)圖 5-18 用錐板粘度計(jì)測定法向應(yīng)力 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖

17、5-19所示。由圖的斜率可得到 。由測出的總法向應(yīng)力求出第一法向應(yīng)力系數(shù)。第四十六張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月lnr(cm)轉(zhuǎn)速增加h(r)+常數(shù)7.37轉(zhuǎn)/分鐘0.240.454.503.021.841.240.900.75圖5-19 錐板流動(dòng)時(shí)的法向應(yīng)力第四十七張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 7.1 扭矩式流變儀的特點(diǎn) 組成： (1)測試機(jī) 密煉機(jī)、單螺桿擠出機(jī)和雙螺桿擠出機(jī)。 (2)驅(qū)動(dòng)及扭矩傳感器 (3)計(jì)算機(jī)控制裝置 7.2 扭矩式流變儀的剪切速率7.扭矩式流變儀第四十八張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月7.3 扭矩式流變儀得到數(shù)據(jù)的分析評價(jià) 從扭矩

18、式流變儀可以得到在設(shè)定溫度和轉(zhuǎn)速下扭矩-時(shí)間變化曲線，稱為扭矩譜。此外，還可得到溫度曲線 、壓力曲線和總扭矩曲線。 在不同溫度一不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行測定，可以了解加工性能與溫度、剪切速度的關(guān)系。式中：M是扭矩，C是機(jī)器常數(shù)，n是指數(shù)定律的指數(shù)，N是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速(單位是rpm)。第四十九張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月7.4 應(yīng)用圖5-20 PVC干混料密煉的扭矩譜Torque(N.m)加料峰塑化峰分解峰塑化時(shí)間設(shè)定溫度熔體溫度分解時(shí)間時(shí)間第五十張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月0.5%1.0%1.5%Torque(N.m)0.5%1.5%1.0%穩(wěn)定時(shí)間 t (s)Toque (N.m)圖5-21穩(wěn)定劑用量對塑化時(shí)間的影響圖5-22穩(wěn)定劑用量對穩(wěn)定時(shí)間的影響第五十一張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月習(xí) 題 圖1的流動(dòng)曲線為PS在288時(shí)的毛細(xì)管流動(dòng)曲線，在 時(shí)所用毛細(xì)管尺寸L=0.51cm,直徑=0.023cm，在 時(shí)所用毛細(xì)管尺寸為L=9.94cm，d=0.16cm。1.（1）要達(dá)到最高點(diǎn)（A點(diǎn)）需施