第三章聚合物流体的流变性能.ppt

第三章 聚合物流体的流变性能 聚合物流变学是研究聚合物流动与形变的科学. 聚合物加工过程如化纤纺丝、橡胶加工、塑料成型都离不开聚合物的流动与形变. 深刻了解加工过程中的流变行为及其规律，对加工工艺的合理选择、正确操作条件的确定、加工设备的优化设计、获得性能良好的制品等都具有相当重要的意义. 聚合物兼具粘性和弹性,导致几个重要特性: (1)非牛顿剪切粘性 (2)拉伸粘性 (3)弹性 两种流动场： (1)拉伸流动: 流体内质点速度沿着流动 方向发生变化、垂直于流 动方向是相等的. (2)剪切流动：流体内质点 速度仅沿着与流动方向垂直 的方向发生变化. 第一节 聚合物流体的非牛顿剪切粘性 二.聚合物流体的流动曲线 由以上流动曲线可知,在不同的?范围内?对于?的关系是不同的: ① ? 较低时,流动为牛顿流动, ?不变(?0) (第一牛顿区) ② ? ↑至?cr时,流体呈切力变稀现象, ? ↓ (?a) (非牛顿区) ③ ? 继续↑流体又表现为牛顿流动, ?不变(?∞) (第二牛顿区) 由流动曲线可得到一些流变学量: ① 非牛顿流动指数n :表征流体偏离牛顿流动的程度 ② 结构粘度指数△? :表征流体结构化的程度 ③ 最大松弛时间? max: ?cr的倒数 ④剪切弹性模量G:(σ12) cr 三.聚合物流体切力变稀的原因 四.影响聚合物流体剪切粘性的因素 (3) 分子量分布的影响 2. 聚合物溶液浓度的影响 (2) 对流动曲线的影响 3. 温度的影响 PLLA熔体的Eη为123kJ/mol, PET熔体的Eη为80kJ/mol. 所以PLLA熔体在纺丝过程中对温度极其敏感，应严格控制纺丝温度. 4.溶剂性质的影响 (1)溶剂的粘度?s影响聚合物浓溶液的粘度?0: ?s ↑ ?0 ↑(C相同时) (2) 溶剂的溶解能力影响?0: 溶剂不同，浓溶液将具有不同程度的结构化,以?0/?s作为这种结构化程度的量度: (3)在溶剂中混入了可溶性杂质或添加剂: 相当于改变了溶剂的性质，也会使?0发生变化. 在溶剂中混入添加剂的应用实例: ①高分子分离膜: ②碳纤维原丝 东华大学:PAN-DMSO-H2O浓溶液凝胶化纺丝 添加剂H2O对于原丝成形方式及原丝的结构性能均有显著影响. 蓄意在纤维中形成一种没有径向大孔、表皮光滑但是又能使氧扩散顺利进行的弥散状细微结构,以期达到预氧化可控的目的. 5.混合的影响 不同聚合物形成的共混体系 当小滴间几乎没有相互作用且分散相的粘度比分散介质的粘度大得多时，呈a型； 当在某一共混比时有相翻转，且小滴间几乎没有相互作用时，呈b型； 当小滴经受足够的拉伸，导致沿流动方向排列的丝条状原纤时，呈c型； 当小滴间在低剪切速率（或剪切应力）下有较强的相互作用或共混体有“互锁”形态时，呈d型。 6. 流体静压的影响 五. 研究聚合物流体的剪切粘性对聚合物加工的指导意义 1.可作为聚合物流体质量正常与否和波动程度的依据 以?0作为质量指标不够,以流动曲线衡量聚合物流体 质量正常与否和波动程度比?0提供的内容丰富. 加工温度应超过100℃ 3.有利于确定加工工艺条件 例:UHMW-PAN溶液 第二节 聚合物流体的拉伸粘性 2.温度的影响 平均分子量↑ ηe ↑ 分子量分布越窄 ηe ↓可纺性↑ 第三节 聚合物流体的弹性 1. 聚合物流体弹性的表现 (1)液流的弹性回缩 (2)流体的蠕变松驰 (3)孔口胀大效应[巴拉斯(Barus)效应] (4)威森堡(Weissenberg)效应(爬杆效应) (5)剩余压力现象 (6)孔道的虚构长度 (7)反循环效应 2. 聚合物流体具有弹性的机理 虎克体的弹性:小形变(材料或原子偏离平衡位 置)，与内能变化有关. 聚合物流体弹性:大形变，既有内能变化的贡献，又有构象变化的贡献(大) ，本质是一种熵弹性。 大分子在作用下构象熵减小，外力解除后，聚合物大分子自动恢复至熵的最大平衡构象上，表现出弹性回复。 (2) 剪切弹性模量G或拉伸弹性模量E G= σ12/? G ↑ 弹性↓ E=σ11/ ? E ↑ 弹性↓ (3) 松驰(驰豫)时间τ τ= η/G τ ↑ 弹性↑ G*=G ′+i G ″ η*= η′-iη″ G′=ωη ″───── 弹性的表征 G″=ωη′───── 非牛顿粘性的表征 2.温度的影