《流变学》 第三章 PART1~2.ppt

第三章聚合物基本流变性质 弹性：线性弹性 非线性弹性 粘性：线性粘性 非线性粘性 粘弹性：线性粘弹性 非线性粘弹性 弹性 线性弹性 非线性粘性（非牛顿流体） 非牛顿流体：与牛顿流体本构关系不相符合的粘性流体。 高分子流体剪切粘度 高分子流体的流动行为比较复杂，图给出典型高分子熔体的流动曲线。由曲线知，剪应力σ21 与剪切速率不能始终维持线性比例关系。 高分子流体微分粘度或稠度 在同一高分子流体流动曲线上，同时可定义  第一、第二法向应力差函数 定义： 高分子液体在剪切流场中，除表现有粘性外，还表现出奇异的弹性行为，存在法向应力差效应。根据第一、第二法向应力差函数N1、N2 ，可以定义 法向应力差效应在牛顿流体中并不出现，它是粘弹性流体流动时弹性行为的主要表现，一般为剪切速率的函数。高分子液体的法向应力差随剪切速率变化规律如图。主要特征是：第一法向应力差N1一般为正值，且随剪切速率增大而增大，第二法向应力差N2为负值，其绝对值远小于N1。 高分子液体第一法向应力差系数 高分子液体的第一法向应力差系数?1随剪切速率的变化规律如图。剪切速率很小时，?1趋向一恒定值?10；当剪切速率增大时，第一法向应力差系数?1随剪切速率增大而减小。 法向应力差产生的原因 法向应力差是聚合物材料弹性的主要表现；弹性是由于链段的取向造成的，而大分子之间的缠结又大大有利于形变时链段的弹性回复。 Weissenberg效应 拉伸粘度函数 不同液体拉伸粘度的特点： 高分子液体的剪切粘度随剪切应力增大通常是降低的（剪切变稀行为），而其拉伸粘度随拉伸应力的变化规律有多种类型。 拉伸粘度的影响因素 非牛顿流体的分类 流动行为与时间无关： 宾汉塑性体 假塑性流体 胀流性流体 流动行为与时间有关 触变性流体 震凝性流体 1、Bingham塑性体 Bingham塑性体流体的主要流动特征是存在屈服应力σy, 因此具有塑性体的可塑性。 只有当外界施加的应力超过屈服应力σy, 物体才能流动。其流动方程为： 有些Bingham塑性体, 在外应力超过屈服应力开始流动后，流动规律遵循牛顿粘度定律, 流动方程为： 这类材料称为普通Bingham流体，ηP为塑性粘度。 另一些Bingham塑性体，一旦开始流动后，流动行为并不遵循牛顿粘度定律，其剪切粘度随剪切速率发生变化，这类材料称为非线性Bingham流体。特殊地，若流动规律遵从幂律,方程为： 1.牙膏、油 漆是典型的Bingham塑性体。 牙膏的特点是不挤不流，只有外力大到足以克服屈服应力时，才开始流出。 油漆在涂刷过程中，要求涂刷时粘度要小，停止涂刷时要“站得住”，不出现流挂。因此要求其屈服应力足够大，大到足以克服重力对流动的影响。 2.润滑油、石油钻探用泥浆，某些高分子填充体系如炭黑填充聚异丁烯，碳酸钙填充聚乙烯、聚丙烯等也属于或近似属于Bingham流体。 填充高分子体系出现屈服现象的原因——当填料份数足够高时，填料在体系内形成某种三维结构。如：CaCO3形成堆砌结构,而炭黑则因与橡胶大分子链间有强烈物理交换作用，形成类交联网络结构。这些结构具有一定强度，在低外力下是稳定的，外部作用力只有大到能够破坏这些结构时, 物料才能流动。 应用——混炼丁基橡胶挤出成型轮胎内胎时，炭黑用量适量，结构性高，则混炼胶屈服强度高，内胎坯的挤出外观好，停放时“挺性”好，不易变形、成摺或拉薄。 2、假塑性流体 绝大多数高分子液体属假塑性流体。 假塑性流体的主要特征是当流动很慢时，剪切粘度保持为常数，而随着剪切速率的增大，剪切粘度反常地减少。 流动曲线分析 当剪切速率?→0时，σ-?呈线性关系，液体流动性质与牛顿流体相仿，粘度趋于常数，称零剪切粘度η0。这一区域称线性流动区或第一牛顿区。 零剪切粘度η0是物料的一个重要材料常数，与材料的平均分子量、粘流活化能相关，是材料最大松弛时间的反映。 当剪切速率超过某一个临界剪切速率后，材料流动性质出现非牛顿性，剪切粘度（实际上是表观剪切粘度）随剪切速率的增大而逐渐下降，出现“剪切变稀”行为。这一区域是高分子材料加工的典型流动区。这时曲线上一点的切线与σ轴的交点，类似于Bingham塑性体的屈服点，故称为假塑性区域，或称非牛顿区域，或剪切变稀区。 分析——分子链发生定向、伸展并发生缠绕的逐步解体，而且已不能恢复。 当剪切速率非常高，?→∞时，剪切粘度又会趋于另一个定值η∞，称无穷剪切粘度，这一区域有时称第二牛顿区。这一区域通常很难达到，因为在此之前，流动已变得极不稳定，甚至被破坏。 分析——当剪切速率达到一定值后，分子链的缠绕已完全解体，所以粘度不再下降。 一、Ostwald-deWale幂率方程 许多高分