流變-專業(yè)碩士課件

聚合物流變實(shí)驗(yàn)原理、方法與應(yīng)用緒論-流變是什么？我們知道的流變？提問---流變的定義？流變學(xué)的研究意義？流變學(xué)的研究內(nèi)容？流變的其它名稱？流變的應(yīng)用范圍？流變?cè)诟叻肿硬牧现械膽?yīng)用？流變學(xué)實(shí)驗(yàn)及研究方法？我們知道的流變？提問---高分子物理-何曼君溶液的粘度；粘流態(tài)與熔體的流動(dòng)，粘彈性高分子材料流變學(xué)-吳其曄奇異流變，剪切變稀，拉伸流變，粘性與彈性，擠出脹大，本構(gòu)方程，流變測(cè)量學(xué)，流變學(xué)應(yīng)用等等拉伸流變？動(dòng)態(tài)粘彈性？非線性粘彈性？應(yīng)力松弛？時(shí)溫疊加？流變的定義？高分子材料流變學(xué)高分子材料流變學(xué)——研究高分子液體，主要指高分子熔體、高分子溶液，在流動(dòng)狀態(tài)下的非線性粘彈行為，以及這種行為與材料結(jié)構(gòu)及其它物理、化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系。“及”？流動(dòng)為主還是變形為主？靜態(tài)流變與動(dòng)態(tài)流變？線性粘彈性與非線性粘彈性？流變的其它名稱？粘彈性？靜態(tài)粘彈性，動(dòng)態(tài)粘彈性，線性粘彈性，非線性粘彈性，largeangleoscillation力學(xué)性能？靜態(tài)力學(xué)性能，動(dòng)態(tài)力學(xué)性能應(yīng)力~應(yīng)變性能？滯后圈流變學(xué)的研究意義？流變現(xiàn)象與材料結(jié)構(gòu)

TypicalViscosityValues(Pas)

典型的粘度值(Pas)AsphaltBinder瀝青混合料-----PolymerMelt聚合物熔體-----Molasses糖漿------------LiquidHoney蜂蜜------------Glycerol甘油------------OliveOil橄欖油---------Water水--------------Air空氣------------100,0001,0001001010.010.0010.00001需要對(duì)數(shù)坐標(biāo)流變的應(yīng)用范圍？各種材料，如瀝青、粘土、橡膠、石油、蛋清、血漿、食品、化工原材料、泥石流、地殼，它們既能流動(dòng)，又能變形；既有粘性，又有彈性；變形中會(huì)發(fā)生粘性損耗，流動(dòng)時(shí)又有彈性記憶效應(yīng)，粘彈性結(jié)合，流變性并存。流變性實(shí)質(zhì)——“固-液兩相性”，“粘彈性”并存。這種粘彈性不僅是小變形下的線性粘彈性，而是材料在大變形、長時(shí)間應(yīng)力作用下呈現(xiàn)的非線性粘彈行為。流動(dòng)與變形又是兩個(gè)緊密相關(guān)的概念。在時(shí)間長河中，萬物皆流，萬物皆變。流動(dòng)可視為廣義的變形，而變形也可視為廣義的流動(dòng)。兩者的差別主要在于外力作用時(shí)間的長短及觀察者觀察時(shí)間的不同。流變的應(yīng)用范圍？流動(dòng)與變形行為與微觀結(jié)構(gòu)直接相關(guān)橡膠條的拉伸與壓縮，輪胎橡膠接觸面的回復(fù)化妝品在皮膚上的涂抹及感覺，牙膏的擠出特性及在牙刷上的穩(wěn)定性模具內(nèi)部塑料熱熔體的流動(dòng)涂料在墻面上的垂掛性番茄醬的傾倒和穩(wěn)定，乳制品的特性熔體纖維紡絲涂料的涂裝，噴塑還是涂刷膠粘劑的粘合甚至山脈、地殼的流動(dòng)!流變的應(yīng)用范圍高分子/塑料/熔體彈性體/橡膠熱固性材料涂料，油墨，涂層食品化妝品/日化高分子熔體擠出(如何獲得較好的表面?)流體表征(充模完全嗎?)共混相容性(混合的兩相材料可以獲得期望的性能嗎?)尺寸穩(wěn)定性(工件會(huì)坍塌嗎?)抗沖性(沖撞時(shí)可以起到保護(hù)作用嗎?)彈性體與交聯(lián)橡膠沖擊特性(保險(xiǎn)杠發(fā)生彎曲還是脆裂?)玻璃化轉(zhuǎn)變(什么溫度時(shí)變脆?)阻尼特性(這么點(diǎn)橡膠墊可以對(duì)我的CD唱機(jī)防震嗎?)對(duì)涂料，油墨，涂層，流變可以表征：?涂刷性(涂刷時(shí)方便嗎?)?流平性(刷痕會(huì)流平嗎?)?垂掛性(刷在墻壁上的涂料會(huì)流下來嗎?)?印刷質(zhì)量(印刷時(shí)，油墨是停留在印的地方，還是散開來?)?高速印刷相容性(油墨會(huì)堆在滾筒上嗎?)流變學(xué)的研究內(nèi)容？國際流變學(xué)會(huì)議計(jì)算流變流體的不穩(wěn)性泡沫、乳液、界面活性劑食品、生物材料材料加工微結(jié)構(gòu)模擬納米科技、微流體非牛頓流體力學(xué)高分子熔體高分子溶液流變測(cè)量學(xué)、實(shí)驗(yàn)方法固體、復(fù)合物懸浮物、膠體應(yīng)用流變，一般論文流變學(xué)的研究內(nèi)容？流變學(xué)可分為結(jié)構(gòu)流變學(xué)和加工流變學(xué)結(jié)構(gòu)流變學(xué)——又稱微觀流變學(xué)或分子流變學(xué)主要研究高分子材料奇異的流變性質(zhì)與其微觀結(jié)構(gòu)——分子鏈結(jié)構(gòu)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，以期通過設(shè)計(jì)大分子流動(dòng)模型，獲得正確描述高分子材料復(fù)雜流變性的本構(gòu)方程，溝通材料宏觀流變性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的聯(lián)系，深刻理解高分子材料流動(dòng)的微觀物理本質(zhì)。稀溶液粘彈理論發(fā)展比較完備。濃厚體系和亞濃體系粘彈理論。deGennes和Doi-Edwards的貢獻(xiàn)提出蛇行蠕動(dòng)模型。聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的研究尚不成熟。Thekinetictheoryandfluidmechanicsofpolymerfluid流變?cè)诟叻肿硬牧现械膽?yīng)用？結(jié)構(gòu)表征-以線性粘彈性/動(dòng)態(tài)流變?yōu)橹?，即低頻、低應(yīng)變條件下測(cè)試熔體或固體的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能；還包括非線性粘彈性/應(yīng)力~應(yīng)變性能/滯后圈。可以測(cè)定分子量及其分布、支化、填充等。加工性能-如擠出、注射、紡絲、薄膜吹塑、硫化、涂覆等工藝條件下，材料的加工難易程度與判據(jù)。流變學(xué)實(shí)驗(yàn)及研究方法？兩項(xiàng)任務(wù)理論上，要建立各種邊界條件下的可測(cè)量（如壓力、扭矩、轉(zhuǎn)速、頻率、線速度、流量、溫度等）與描寫材料流變性質(zhì)但不能直接測(cè)量的物理量（如應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速率、粘度、模量、法向應(yīng)力差系數(shù)等）間的恰當(dāng)聯(lián)系，分析各種流變測(cè)量實(shí)驗(yàn)的科學(xué)意義，估計(jì)引入的誤差。實(shí)驗(yàn)技術(shù)上，要能夠完成很寬的粘彈性變化范圍內(nèi)（往往跨越幾個(gè)乃至十幾個(gè)數(shù)量級(jí)的變化范圍），針對(duì)從稀溶液到熔體等不同高分子狀態(tài)的體系的粘彈性測(cè)量，并使測(cè)得的量值盡可能準(zhǔn)確地反映體系真實(shí)的流變特性和工程的實(shí)際條件。這兩項(xiàng)任務(wù)都是相當(dāng)艱巨的。流變學(xué)實(shí)驗(yàn)及研究方法？測(cè)試方法根據(jù)物料的形變歷史，流變測(cè)量實(shí)驗(yàn)可分為：穩(wěn)態(tài)流變剪切速率場(chǎng)、溫度場(chǎng)恒為常數(shù)，不隨時(shí)間變化。動(dòng)態(tài)流變應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)交替變化，振幅小，正弦規(guī)律變化。瞬態(tài)流變應(yīng)力或應(yīng)變階躍變化，即突然的起始流或終止流。根據(jù)物料的流動(dòng)形式來分類。按照人們習(xí)慣的約定：方向1為流動(dòng)的方向，2為速度梯度的方向，3為中性方向，則有：剪切流場(chǎng)測(cè)量，即1和2方向垂直。拉伸流場(chǎng)測(cè)量，即1和2方向平行。Shearflow,extensionalflowandoscillationoffluid流變?cè)砗喗?流體的線性粘性牛頓法則：理想流體法則理想流體（牛頓流體）應(yīng)力與剪切變形的關(guān)系是線性關(guān)系。理想粘性流體的粘度是常數(shù)，沒有剪切變稀或剪切增稠現(xiàn)象。流變?cè)砗喗?流體的非線性粘性O(shè)stwald-deWale冪律方程Carreau方程Cross方程流變?cè)砗喗?剪切粘度的影響因素實(shí)驗(yàn)條件和生產(chǎn)工藝條件的影響（溫度T；壓力p；剪切速度或剪切應(yīng)力σ等）；物料結(jié)構(gòu)及成分的影響（配方成分）；大分子結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響（平均分子量；分子量分布；長鏈支化度等）。溫度T的影響lnaT=lnτ/τ0=lnη/η0=-C1(T-Ts)/C2(T-Ts)流變?cè)砗喗?流體彈性：理想固體行為?儲(chǔ)存變形能量的能力?變形后恢復(fù)原狀的能力?變形與恢復(fù)瞬間發(fā)生，沒有時(shí)間滯后?可用“彈簧”模型表示?模量就是抵抗變形的能力，多硬或多軟?理想彈性固體遵循Hook’sLaw流變?cè)砗喗?流體彈性的表征可恢復(fù)形變量SR及穩(wěn)態(tài)彈性柔量采用轉(zhuǎn)子式流變儀（例如同軸圓筒流變儀）擠出脹大比B及口型出口壓力降PexitPexit不容易直接測(cè)量，一般通過測(cè)量流體內(nèi)壓力沿口型長度方向的分布，再外推至出口處求得。第一、二法向應(yīng)力差系數(shù)通過B或Pexit計(jì)算；也可用錐-板型流變儀測(cè)量法向應(yīng)力差函數(shù)。流變?cè)砗喗?流體的粘彈性Whetherthematerialbehavesviscousorelasticdependsonthetime粘彈性表征-靜態(tài)粘彈性應(yīng)力松弛StressRelaxationγ=γ1+γ2=>σ(t)=σoexp{-t/τ}τ=η/GG(t)=Goexp{-t/τ}蠕變Creep粘彈性表征-動(dòng)態(tài)粘彈性DynamicMechanicalAnalysisG(t)=Goexp{-t/τ}G*(ω)=Goωτ/（1+ω2τ2）ω=1/2πT=1/tStimulus(stressorstrain)Response(strainorstress)G*=G’+iG”；G”/G’=tanδ流變?cè)砗喗?流體的拉伸粘度考慮穩(wěn)態(tài)單軸拉伸。所謂穩(wěn)態(tài)拉伸，指一個(gè)流體元所受的拉伸速率為恒定值。設(shè)x1方向?yàn)槔旆较?，定義體系的穩(wěn)態(tài)單軸拉伸粘度為

式中T11為拉伸方向的總法向應(yīng)力。為應(yīng)變速率(即絕對(duì)拉仲速率)拉伸粘度的三種類型高分子熔體和溶液拉伸粘度對(duì)拉伸應(yīng)力關(guān)系的三種類型，以及和切變粘度對(duì)切應(yīng)力關(guān)系的比較有機(jī)玻璃、尼龍66聚丙烯、高密度聚乙烯低密度聚乙烯、聚苯乙烯雙料筒毛細(xì)管測(cè)試?yán)煺扯菶ntrancepressuredrop：（Pa）Extensionalstress：（Pa）；Extensionalrate:（s-1）(即絕對(duì)拉仲速率）Extensionalviscosity：（Pa?s）其它公式？拉伸粘度的另外兩種測(cè)試方法直接拉伸和輥筒拉伸流變理論模型Rouse-Zimm模型deGennes，Doi-Edwards“蠕動(dòng)模型”和“管道模型”分子鏈間的瞬態(tài)“粘合或偶聯(lián)”分子鏈串滴模型本構(gòu)方程本構(gòu)方程（constitutiveequation），又稱狀態(tài)方程——描述一大類材料所遵循的與材料結(jié)構(gòu)屬性相關(guān)的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律的方程。唯象性方法根據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)，直接給出非線性粘彈流體應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率間的關(guān)系。以本構(gòu)方程中的參數(shù)，如粘度、模量、松弛時(shí)間等，表征材料的特性。分子論方法提出能夠描述大分子鏈運(yùn)動(dòng)的正確模型，采用熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)方法，將宏觀流變性質(zhì)與分子結(jié)構(gòu)參數(shù)（如分子量，分子量分布，鏈段結(jié)構(gòu)參數(shù)等）聯(lián)系起來。經(jīng)典的線性粘彈性模型——Maxwell模型Voigt模型和Maxwell模型的本構(gòu)方程G(t)=Goexp{-t/τ}第一節(jié)毛細(xì)管流變儀原理及應(yīng)用毛細(xì)管流變儀為目前發(fā)展得最成熟、典型的流變測(cè)量儀。其主要優(yōu)點(diǎn)在于操作簡單，測(cè)量準(zhǔn)確，測(cè)量范圍廣闊（：10-2s-1～104s-1）。使用毛細(xì)管流變儀能測(cè)量物料的剪切粘度，拉伸粘度和彈性行為。前言毛細(xì)管流變儀基本知識(shí)雙料筒毛細(xì)管流變儀（恒速型）前言毛細(xì)管流變儀基本知識(shí)XLY-II毛細(xì)管流變儀（恒壓力型）雙筒毛細(xì)管流變儀計(jì)算公式Volumeflux：（mm3?s-1）（1）Correctedshearrate：（s-1）（2）

Entrancepressuredrop：（Pa）；（3）Shearstress：（Pa）（4）Correctedshearviscosity：（Pa?s）（5）Extensionalstress：（Pa）；（6）Extensionalrate:（s-1）（7）Extensionalviscosity：（Pa?s）（8）where：-theareaofpiston，-thelengthoflongdie，-thelengthofshortdie基本原理物料在整個(gè)毛細(xì)管中的流動(dòng)可分為三個(gè)區(qū)：入口區(qū)、完全發(fā)展流動(dòng)區(qū)、出口區(qū)壓力分布在實(shí)際測(cè)量時(shí)，壓力傳感器安裝的位置并不在毛細(xì)管上，而是在料筒筒壁處。于是測(cè)得的壓力包括了入口區(qū)的壓力降，完全發(fā)展流動(dòng)區(qū)上的壓力降和出口區(qū)的壓力降三部分。另外完全發(fā)展流動(dòng)區(qū)的流道長度Lˊ與毛細(xì)管長L也不相等，因此在通過測(cè)壓力差來計(jì)算壓力梯度時(shí)，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)男Ｕ?。相?duì)而言，出口壓力降比入口壓力降小得多。入口區(qū)的拉伸流動(dòng)-描述非牛頓流體行為之程度流體的特征或“松弛時(shí)間流動(dòng)系統(tǒng)的特征時(shí)間剪切速率牛頓流體(葡萄糖漿)非牛頓流體(0.057%

聚丙烯醯胺/葡萄糖溶液)Contractionflow，convergeflow當(dāng)熔體通過毛細(xì)管人口區(qū)，由于流道截面尺寸急劇變化，熔體承受強(qiáng)烈拉伸形變。等溫過程；應(yīng)變速率不是常數(shù)；可以達(dá)到很高的應(yīng)變速率；結(jié)果分析較難-進(jìn)行很多假設(shè)。Entrancepressuredrop：（Pa）Extensionalstress：（Pa）；Extensionalrate:（s-1）(即絕對(duì)拉仲速率）Extensionalviscosity：（Pa?s）通過入口壓力降P0來表示熔體彈性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在全部入口壓力損失中，95%是由于彈性能儲(chǔ)存引起的，僅5%是由于粘性損耗引起的。長管入口處壓力PL=短管入口處壓力PR入口壓力降P0完全發(fā)展流動(dòng)區(qū)的剪切流動(dòng)Volumeflux：（mm3?s-1）（1）Correctedshearrate：（s-1）（2）

Entrancepressuredrop：（Pa）；（3）Shearstress：（Pa）（4）Correctedshearviscosity：（Pa?s）（5）出口區(qū)的擠出脹大穩(wěn)定的擠出脹大現(xiàn)象也可評(píng)價(jià)熔體彈性擠出脹大現(xiàn)象的說明毛細(xì)管流變儀的應(yīng)用毛細(xì)管流變儀由于剪切速率限定在100-104內(nèi)，尤其適用于高剪切速率條件下的表征；用毛細(xì)管流變儀研究低速（低頻）、長時(shí)間流變現(xiàn)象是不合適的，此時(shí)需要用旋轉(zhuǎn)流變儀（時(shí)間也很長，但是測(cè)試方便）。毛細(xì)管流變儀同樣看用于結(jié)構(gòu)表征和加工性能測(cè)定。毛細(xì)管流變儀用于結(jié)構(gòu)表征通過零切粘度計(jì)算分子量及分子量分布；通過剪切變稀表征分子量及分子量分布、支化，填料與橡膠的相互作用（填料的補(bǔ)強(qiáng)系數(shù)）；通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究有機(jī)小分子在聚合物中的形態(tài)，共混聚合物的相結(jié)構(gòu)，纖維等在熔體中的取向、遷移；高速下分子鏈/分子鏈/金屬內(nèi)壁之間的相互作用；聚合物熔體/流體的粘彈性，等等。毛細(xì)管流變儀用于加工性能測(cè)試由于毛細(xì)管流變儀結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，可以用于表征擠出/壓出等生產(chǎn)過程中的聚合物加工性能；雙料筒毛細(xì)管流變儀的獨(dú)特設(shè)計(jì)，可以用于表征擠出吹塑、吸塑、模壓、薄膜吹塑、冷卻、發(fā)泡等工藝的拉伸粘度性能。毛細(xì)管流變儀在高分