第二章第二节1流变学概念及基础知识ppt课件.ppt

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1、1,第二章 聚合物加工理论基础,第一节 材料的加工性第二节 聚合物流体的流变性质第三节 聚合物在成型加工过程中的各种物理变化及化学变化,？,2,第二节 聚合物流体的流变性质,一、什么是流变学？二、流变学基础知识三、聚合物流体的剪切流动特征四、聚合物流体流变行为有哪些影响因素,第二章 聚合物加工理论基础,？,3,知识点、重点及难点提示,知识点：什么是流变学？其研究内容、分类方法、相关基本概念及基础知识；流变学基本研究方法；聚合物流体类型；不同流体类型的特征及其机制。重点：流变的概念；流变学基本概念及基础知识；流变学基本研究方法；聚合物流体的类型划分及其原理。难点：如何准确理解和把握“流变”的概念

2、以及相关的实验现象？要和其内在的多重高分子热运动本质相联系？,4,第二节 聚合物流体的流变性质,一、什么是流变学？二、流变学基础知识三、聚合物流体的剪切流动特征四、聚合物流体流变行为有哪些影响因素,第二章 聚合物加工理论基础,5,一、什么是流变学？,1.什么是流变？2.流变现象的普遍性3.流变现象基于空间结构基础上的时间尺度特征4.什么是流变学？5.聚合物流变学的具体研究对象或研究内容,第二章 第二节聚合物流体的流变性质,6,1.什么是流变？,流变：流动和变形：有流动即有变形?有变形则要看哪个尺度意义上产生了流动?可以这样理解：流变在本质上是材料某尺度上的运动单元（如分子链）在外场作用下产生相

3、对运动，同时伴随因材料结构变化引起材料形变响应的现象或过程。尺度-研究意图？,第二章 第二节 一、什么是流变学？,很重要！需深刻理解！,7,2.流变现象的普遍性,瀑布、泥石流、洪水等等,第二章 第二节 一、什么是流变学？,8,2.流变现象的普遍性,自然世界是由各种不同特性的流体组成的：如水、油、砂石、矿物、粘土、溶液、悬浮液、乳液、橡胶、生活中的流变现象：洪水、泥石流、煤矿倒塌、沙尘暴、沙滩、海浪、果汁、巧克力、蠕变、应力松弛请举例：日常生活中就发生在你身边的的流变现象？,第二章 第二节 一、什么是流变学？,9,2.流变现象的普遍性,第二章 第二节 一、什么是流变学？,流变现象的粘弹特征,10

4、,3.流变现象基于空间结构基础上的时间尺度特征,例子1：水面上散步？一般而言，一个人很难在水面上自由行走，但我们的教授说，这在理论上是可以的，并且不必借助特别的工具，只要,参考答案：只要水分子的运动和人的步法相比足够慢，即水的流变足够缓慢，或者人的步法相比水分子的运动足够快，以使人在水面上走过之后仍然没有显著的形变？（小分子运动）,例子2：“水面上跑马，马路上淹死人！”,第二章 第二节 一、什么是流变学？,11,4.什么是流变学？,流变学：研究流变的科学。研究材料呈流体状态时在外力作用下流动和变形的科学。研究材料呈流体状态时流变现象或过程的科学。由于流变现象的普遍性，流变学的研究内容非常丰富。

5、,注：20世纪20年低利哈伊大学教授尤金宾汉正式提出流变学这一名称，来源于赫拉克利特的经典名言“一切皆流”为了研究力引起的变形,第二章 第二节 一、什么是流变学？,12,5.聚合物流变学的具体研究对象或研究内容,a）聚合物体系的结构特征及其在流场作用下的变化规律，在此基础上从选材、工艺条件控制、加工设备及成型方法选择的角度进行产品设计，建立产业研发平台，为产业适应市场需求提供技术支持和保证（研发部门）；b）优化和调整成型加工条件，实质上是通过控制流场等工艺技术条件进一步调控体系结构的变化（工艺工程师）；c）质量控制，通过研究聚合物体系的流变学特征判断其结构特征（品控工程师）。,第二章 第二节

6、一、什么是流变学？,13,第二节 聚合物流体的流变性质,一、什么是流变学？二、流变学基础知识三、聚合物流体的剪切流动特征四、聚合物流体流变行为有哪些影响因素,第二章 聚合物加工理论基础,？,14,二、流变学基础知识,1.流变学分支领域划分2.静态流变学及聚合物流体类型3.动态流变学,第二章 第二节聚合物流体的流变性质,15,1.流变学分支领域划分,结构流变学：结构特征-流变行为特征加工流变学：流变行为特征-成型加工条件,1）按照研究内容的差异进行划分：,第二章 第二节 二、流变学基础知识,16,1.流变学分支领域划分,宏观流变学：即从宏观视角切入，采用经典的唯象研究方法，视聚合物由连续质点构成

7、，且其性能为位置的连续函数，进而从建立粘弹模型出发，进行应力-应变或应变速率的分析，归纳总结实验数据形成唯象的经验规律，实现流体流变行为的描述和预测，研究材料的结构与性能。微观流变学：即分子流变学，是从分子运动的角度出发，自微观分子链的运动行为特征着手，对材料的力学行为和分子运动过程进行相互关联，发展高分子动力学理论，提出材料结构与宏观流变行为的联系，并以此为基础演绎形成规律性的认知。注：两种方法结合起来的研究，常取得较好效果。但它们都离不开实验室流变性能的测定。,2）按照研究的尺度水平进行划分：,第二章 第二节 二、流变学基础知识,17,1.流变学分支领域划分,经典流变学：将聚合物流体处理成

8、简单流体，即作为理想化的均匀材料，研究其流动和变形，采用数学方法描述简单流体中抽象质点的应力和应变的定量关系。经典流变学对聚合物流体流变性能的简单化处理已经无法满足聚合物成型加工的需要，要研究更加深层次的问题。,当代流变学：将聚合物流体作为复杂流体，研究其内部结构在加工流场中的热力学和动力学问题，其内部结构包括：均聚物、共聚物、共混物、复合物等等。对复杂流道中的加工流场，存在很多复杂的边界效应，目前的计算能力还无法给出比较好的结果，这也成为近来流变学研究的重要方向。,3）按照对研究对象的处理方式划分：,第二章 第二节二、流变学基础知识,18,当代流变学：,平均场超越平均场,第二章 第二节二、1

9、.流变学分支领域划分,19,1.流变学分支领域划分,实验流变学：采用多种流变仪，比如毛细管流变仪来测量在不同剪切应力作用下，流体粘度、流速等的变化，再进行分析，从中得出该物质的模量、分子量等重要性质。也可以通过流变仪模拟流体在注射等成型过程中所受的应力和流体的变形，使得流变学成为研究高分子加工过程所必需的内容。,理论流变学：通过实验数据提出符合此类物质的物理背景，将其与普适的数学模型相结合，通过数学计算描述流体运动。对纯弹性物体，可用胡克定律来描述，即应力与应变成正比。但现实中存在不符合胡克定律的塑性变形。特别对高分子，具有粘弹性性质，情况更加复杂。其数学模型主要借助于连续介质力学。,4）按照

10、研究途径的不同进行划分：,第二章 第二节二、流变学基础知识,20,1.流变学分支领域划分,静态流变学：又称稳态流变，研究单一方向稳态剪切作用下聚合物流体的流动和变形。动态流变学：研究周期性动态作用下聚合物流体的流动和变形。瞬态流变学：主要考察聚合物流体对施加外场作用下的瞬态响应特征。对于在可识别范围内具有显著时间依赖性的体系非常明显。,5）按照具体实验操作方法的不同划分：,第二章 第二节二、流变学基础知识,21,1.流变学分支领域划分,聚合物流变学生物流变学：软组织流变学、血液流变学、肌肉力学、骨力学等；测量流变学：食品流变学：注：流变学是介于物理、化学、力学、医学、生物和工程技术之间的一门边

11、缘交叉学科。据不完全统计，由它所衍生的分支学科有20多个。,6）按照应用领域的不同进行划分：,第二章 第二节二、流变学基础知识,22,二、流变学基础知识,1.流变学分支领域划分2.静态流变学及聚合物流体类型3.动态流变学,第二章 第二节聚合物流体的流变性质,23,静态流变学(稳态流变学),静态流变（Static rheology）是在一定应力或应变下对流体实施稳态剪切（Steady shear）作用，由此研究流体在连续形变下粘度、应力等与应变速率之间关系的方法。静态流变又常称为稳态流变，其主要特点在于，在一定剪切作用下，聚合物流体在固定的方向上产生形变。主要见于毛细管中流体的流动，或单向旋转剪

12、切时流体的流动，从测试角度可实现：（1）剪切速率扫描（2）固定剪切速率下的时间扫描,第二章 第二节 二、2.静态流变学及聚合物流体类型,24,2.静态流变学及聚合物流体类型,聚合物熔体类型划分主要依据聚合物流体在剪切流动中剪切应力和剪切速率之间关系。1）剪切应力和剪切速率的定义2）聚合物流体类型及流变方程 牛顿流体 假塑性流体(牛顿定律和幂律定律)非牛顿流体 涨塑性流体 宾汉流体,返回目录,下一个问题,第二章 第二节 二、2.静态流变学及聚合物流体类型,25,应力,外力：在流变学中，外界作用在材料表面上的力称为表面力（surface force）,即外力。应力：在材料内部，相对应于外力而产生，

13、并与之相抗衡的单位面积上的力，是外力在材料内部传递形成的材料内部结构单元之间的相互作用力，内力。应力的分量表示法：用两个下标表示应力的分量，第一个下标是应力的作用面，第二个分量是应力的方向。附应力的分量表示法图示,第二章 第二节 二、2.静态流变学及聚合物流体类型,26,应力的分量表示法图示,返回,应力张量？（笛卡尔坐标系？）顾国芳，浦鸿汀.聚合物流变学基础M.上海：同济大学出版社，2000年1月，P14,第二章 第二节 二、2.静态流变学及聚合物流体类型,27,剪切应力,定义：单位面积上剪切力的大小，即：=F/A要素：大小、方向、作用面剪切应变：？剪切模量：？,F,A,返回,第二章 第二节

14、二、2.静态流变学及聚合物流体类型,28,剪切速率,剪切速率的含义：(1)流体流动速度的梯度;(2)距离dy的液层在dt时间内相对移动的距离；(3)单位时间内，流体在剪切作用下流体产生的剪切应变。,返回,第二章 第二节 二、2.静态流变学及聚合物流体类型,29,牛顿流体及其流变方程,或,牛顿流体：满足上述牛顿定律的流体。粘度不随剪切条件的改变而改变；剪切应力和剪切速率始终呈正比关系；流体内部结构不随剪切条件改变而变化。牛顿粘度：？,返回,第二章 第二节 二、2.静态流变学及聚合物流体类型,30,非牛顿流体,非牛顿流体：不满足牛顿定律的流体。粘度随剪切条件改变而改变；剪切应力和剪切速率呈现非正比

15、关系；流体内部结构随剪切条件改变而变化。非牛顿流体的粘度定义为表观粘度。,返回,表观粘度：a？幂律定律：？流体类型：？流动曲线：？,第二章 第二节 二、2.静态流变学及聚合物流体类型,31,非牛顿流体的流变行为,流体稠度,幂律指数或流动指数或非牛顿指数,n1,n=1,n1,k=1/K 流体流动度 或流动常数,m=1/n,n1,n=1,n1,宾汉流体,第二章 第二节 二、2.静态流变学及聚合物流体类型,涨塑性流体,牛顿流体,假塑性流体,幂律定律（指数定律）,流动曲线1,32,非牛顿流体的流变行为,流动曲线：流体中应力（剪切应力或拉伸应力）和应变速率（剪切速率或拉伸应变速率）关系曲线或者粘度和应变

16、速率关系曲线。两曲线的本质是一致的。,n1,n=1,n1,宾汉流体,流动曲线1,流动曲线2,第二章 第二节 二、2.静态流变学及聚合物流体类型,33,牛顿流体及宾汉流体特征的流体结构基础,1、牛顿流体：剪切应力与剪切速率呈直线关系，粘度依赖于流体的分子结构和其它外界条件，与剪切应力和剪切速率的变化无关。事实上，真正属于流体的只是低分子化合物的液体或溶液，聚合物熔体除聚碳酸酯和偏二氯乙烯氯乙烯共聚物少数几种与牛顿液体相近以外，绝大数都只能在剪切应力很小或很大时表现为牛顿流体。2、宾汉流体：这种流体与牛顿流体相同的是，其剪切应力和剪切速率的关系表现为直线，不同的是它的流动只有当剪切应力高至于一定值

17、y后才发生塑性流动。宾汉流体所以有这种形为，是因为流体在静止时形成了凝胶结构，外力超过y时这种三维结构即受以破坏。牙膏、油漆、润滑脂、钻井用的泥浆、下水污泥、聚合物在良溶剂中的浓溶液和凝胶性糊塑料等属于或接近于宾哈流体。,34,假塑性流体特征的流体结构基础,解缠理论假塑性流体的粘度随剪切应力或剪切速率的增加而下降的原因与流体分子的结构有关。对聚合物溶液来说，当它承受应力时，原来由溶剂化作用而被封闭在粒子或大分子盘绕空穴内的小分子就会被挤出，这样，粒子或盘绕大分子的有效直径即随应力的增加而相应地缩小，从而使流体粘度下降。因为粘度大小与粒子或大分子的平均大小成正比，但不一定是线性关系。对聚合物熔体

18、来说，造成粘度下降的原因在于其中大分子彼此之间的缠结。当缠结的大分子承受应力时，其缠结点就会被解开，同时还沿着流动的方向规则排列，因此就降低了粘度。缠结点被解开和大分子规则排列的程度是随应力的增加而加大的。显然，这种大分子缠结的学说，也可用以说明聚合物熔体粘度随剪切应力增加而降低的原因。,假塑性流体的特征这种流体是非牛顿流体中最为普通的一种，它所表现的流动曲线是非直线的。流体的表观粘度随剪切应力的增加而降低。多数聚合物的熔体，也是塑料成型中处理最多的一类物料，以及所有聚合物在良溶剂中的溶液，其流动行为都具有假塑性流体的特征。,35,涨塑性流体特征的流体结构基础,这种流体的流动曲线也不是直线，与

19、假塑性流体不同的是它的表观粘度会随剪切应力的增加而上升。属于这一类型的流体大多数是固体含量高的悬浮液，处于较高剪切速率下的聚氯乙烯糊塑料的流动行为就很接近这种流体。膨胀性流体所以有这样的流动行为，多数的解释是：当悬浮液处于静态时，体系中由固体粒子构成的空隙最小，其中流体只能勉强充满这些空间。当施加于这一体系的剪切应力不大时，也就是剪切速率较小时，流体就可以在移动的固体粒子间充当润滑剂，因此，表观粘度不高。但当剪切速率逐渐增高时，固体粒子的紧密堆砌就次第被破坏，整个体系就显得有些膨胀。此时流体不再能充满所有的空隙，润滑作用因而受到限制，表观粘度就随着剪切速率的增长而增大。,涨塑性流体流变行为演示

20、,36,静态流变学应用,a)低剪切条件下的流变学特征稳态剪切作用下流体粘度或剪切应力随剪切速率的变化关系大形变条件下材料结构与流变学性质的关系相关主要运动单元之间可以充分地相对运动而无硬性约束 b)高剪切条件下的流变学特征材料成型加工条件与流变性质的关系通常在10-10000 s-1的剪切速率范围内,第二章 第二节 二、2.静态流变学及聚合物流体类型,37,二、流变学基础知识,1.流变学分支领域划分2.静态流变学及聚合物流体类型3.动态流变学,第二章 第二节聚合物流体的流变性质,38,动态流变学,动态流变（Dynamic rheology）是对流体施加周期性作用，记录流体在周期性应力或应变下产

21、生振荡剪切（Oscillatory shear）特征的研究方法。周期性的外力通常是正弦波形式，实验角度可实现：（1）特定应力（或应变）下的频率扫描（2）特定频率下的应力扫描或（应变扫描）（3）特定频率及特定应力（或应变）下的时间扫描,第二章 第二节 二、3.动态流变学及应用,39,3.动态流变学,返回目录,下一个问题,1）动态流变学基本参数2）线性粘弹理论基础3）动态流变中典型的频率扫描曲线阐释4）动态流变学中重要曲线的意义5）松弛时间谱的计算6）动态流变学方法的应用,第二章 第二节 二、3.动态流变学,40,1）动态流变学基本参数,返回,Storage or elastic modulusG

22、Loss or viscous modulusG”,复数形式,第二章 第二节 二、3.动态流变学,41,复数形式,返回,第二章 第二节 二、3.动态流变学,42,2）线性粘弹理论基础,根据线性粘弹理论及Doi和Edwards的管道模型，对线形、柔性、缠结、单分散均相聚合物，各粘弹性参数间存在式:,返回,第二章 第二节 二、3.动态流变学,43,3）动态流变中典型的频率扫描曲线阐释,牛顿流体聚合物粘弹性流体-Maxwell牛顿流体二元共混物聚合物粘弹性流体二元共混物 典型频率扫描曲线上的特征松弛时间点典型频率扫描曲线上不同区段的划分,返回,第二章 第二节 二、3.动态流变学,44,牛顿流体,45

23、,聚合物粘弹性流体-Maxwell,第二章 第二节 二、3.动态流变学,46,聚合物粘弹性流体-Maxwell,进一步maxwell模型流体特征见word文件,47,牛顿流体二元共混物,第二章 第二节 二、3.动态流变学,48,聚合物粘弹性流体二元共混物,第二章 第二节 二、3.动态流变学,49,D:P:M:Cross:G”max:phase-max:,第二章 第二节 二、3.动态流变学,50,线性粘弹区第一平台区第二平台区低频末端区,返回,第二章 第二节 二、3.动态流变学,51,4）动态流变学中重要曲线的意义,返回,(a).,(b).,(c).,(d).,(e).van Gurp-Palm

24、en图（vGP图）,第二章 第二节 二、3.动态流变学,52,返回,第二章 第二节 二、3.动态流变学,不同相对分子质量大小的均聚物材料,53,返回,第二章 第二节 二、3.动态流变学,聚合物二元共混物材料,54,SI二嵌段共聚物在不同温度下的Han曲线,第二章 第二节 二、3.动态流变学,嵌段共聚物材料,55,返回,均相体系,两相体系,第二章 第二节 二、3.动态流变学,56,van Gurp-Palmen图（vGP图）,a.相位角最小值对应的复数模量等于平台模量；b.相对分子质量越大，相位角越小；c.相位角最小值和相对分子质量的双对数曲线是直线；d.相对分子质量分布不改变vGP图的形状，相

25、对分子质量分布越宽，最小相位角左侧曲线部分越以更加缓和的方式趋于在更小的复合模量处形成平台。,返回,第二章 第二节 二、3.动态流变学,57,相位角最小值和相对分子质量的双对数曲线是直线,注：此直线关系与聚合物种类无关，不同聚合物材料都符合该关系,返回,第二章 第二节 二、3.动态流变学,58,相对分子质量分布不改变vGP图的形状，相对分子质量分布越宽，最小相位角左侧曲线部分越以更加缓和的方式趋于在更小的复合模量处形成平台。,返回,第二章 第二节 二、3.动态流变学,59,5）松弛时间谱,松弛时间(The Maxwell Model)松弛模量G(t)和松弛时间谱f()H()储能模量及损耗模量与

26、松弛时间的关系储能模量及损耗模量与松弛模量的关系松弛时间谱的计算,返回,第二章 第二节 二、3.动态流变学,60,Maxwell Model中的松弛时间,返回,第二章 第二节 二、3.动态流变学,61,平行Maxwell Model松弛模量G(t)和松弛时间谱f()H(),Maxwell elements in parallel,第二章 第二节 二、3.动态流变学,62,储能模量及损耗模量与松弛时间的关系,得到：,因此有：,进一步有：,返回,第二章 第二节 二、3.动态流变学,63,储能模量及损耗模量与松弛模量的关系,返回,One sided Fourier transforms,第二章 第二

27、节 二、3.动态流变学,64,松弛时间谱的计算,返回,第二章 第二节 二、3.动态流变学,65,6）动态流变学方法的应用,研究结构与性能的关系：多相多组分体系中结构的均匀性（定性），包括聚合物共混物相结构演变(相分离、相分散、相归并)流变性能与结构的定量关系（本构模型）(2)生产 举例：墨水、果汁、啤酒、热熔胶、,第二章 第二节 二、3.动态流变学,66,墨水品质分析与控制,第二章 第二节 二、3.动态流变学,67,墨水品质分析与控制,第二章 第二节 二、3.动态流变学,68,果汁结构的稳定性分析,第二章 第二节 二、3.动态流变学,结构稳定-存贮期长部分产品标注若发现沉淀物仍可饮用,69,啤

28、酒泡沫的持久性,第二章 第二节 二、3.动态流变学,70,聚酰胺共聚物热熔胶品质选择,第二章 第二节 二、3.动态流变学,热熔胶多为粒料形态，物料如果太脆或者太黏都不容易进行造粒。采用动态流变学方法如何判别是否容易造粒呢？造粒条件？,71,聚酰胺共聚物热熔胶品质选择,分析结果：A 太脆，易碎，难以造粒 C 太粘，容易粘附设备,第二章 第二节 二、3.动态流变学,72,思考题,为什么在煮水饺时通常要在汤中放一点盐巴为好？为什么水饺通常要放在木制案板上？而放在玻璃案板上则容易破损？-答案,第二章 第二节聚合物流体的流变性质,73,谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢

29、谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢

30、谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！,谢谢大家！下一堂课：“第二节 聚合物熔体流变性三、聚合物流体的剪切流动特征”,第二章 第二节聚合物流体的流变性质,74,答案1,1.为什么在煮水饺时通常要放一点盐巴？为什么水饺通常要放在木制案板上？而放在玻璃案板上则容易破损？（水饺中有大量的高分子物）请大家作为参考：放盐巴的目的是为了防止水饺在煮的过程中破皮，原理是，盐溶解在水中以后，可以促使溶解的淀粉、蛋白质等大分子盐析出来，在水饺表面形成凝胶类结构，提高水饺皮的强度，即减弱了其流变产生破碎的倾向？木板和玻璃板表面特性的差异，造成其对水饺皮的亲和作用迥异，在水饺存放期间，玻璃板更加容易和水饺皮经水饺皮的流变而相互粘结在一起，在取动时容易造成破坏。,返回,第二章 第二节聚合物流体的流变性质,