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* 何继敏 机电工程学院塑机所 Polymer Processing Rheology 流变学是一门研究材料流动及变形规律的科学 1 流变学概念 很长时间流动与变形是属于两个范畴的概念 ● 流动是液体材料的属性，而变形是固体（晶体）材料的特性 ● 流体流动→粘性行为，其变形不可恢复并耗散能量；固体变形→弹性行为，形变能够恢复且形变时储存能量，恢复时还原能量 ● 通常液体流动时遵守牛顿流动定律 ，且流动过程总是一个时 间过程，只有在一段时间内才能观察到材料的流动，而一般固体变形 遵守虎克定律 ，其应力、应变之间的响应为瞬时响应 牛顿流体与虎克弹性体是两类性质简化的抽象，实际材料往往表现出远为复杂的力学性质。 高聚物熔体与溶液：既能流动，又能变形，既有粘性，又有弹性，变形中有粘性损耗，流动时有弹性记忆效应，粘弹性结合，流变性并存。 流动可视为广义的变形，而变形也可视为广义的流动 两者的差别主要在于外力作用时间的长短及观察时间的不同。如地壳流动、水的反弹。 1928年，美国物理化学家E.C.Bingham（宾汉）发明了“流变学”这一术语，成立了“流变学会”，我国1979年以后成立了全国流变学会。 公元前五世纪希腊著名唯物论哲学家赫拉克利特的名言 “万物皆流，万物皆变” 奇异的流变性质与其微观结构构之间的联系 高分子材料加工工程有关的理论与技术问题 高聚物流变学 高分子结构流变学 (微观流变学、分子流变学) 高聚物加工流变学（宏观流变学） 2 高聚物特征流变现象 高液位、高剪切应力，高分子溶液剪切变稀，粘度比牛顿流体小 液面下降，剪切力变小，高分子溶液的粘度超过牛顿流体 随工艺条件的变化及剪切应力（或剪切速率）的不同，材料的粘度会发生1～3个数量级的大幅度变化，是加工工艺中十分关注的问题 t1 t3 牛顿流体 （甘油的水溶液） 高分子溶液 （聚丙烯酰胺水溶液） t2 管流与“剪切变稀”现象 1 利用爬轴现象的几何结构创造了熔体泵，也称法向应力挤出机 盘式挤出机（Maxwell，1959） 串联式磨盘挤出机 弹性液体，在剪切流场中除有剪切应力外（粘性），还存在法向应力差（弹性） PA＞PB PA＜PB “爬轴”效应 B A B A 牛顿流体 高分子溶液 Weisenberg效应和法向应力 2 当熔体从小孔，毛细管或窄缝中挤出时， Barus效应 离模膨胀 牛顿流体不具有这种效应 高聚物熔体具有弹性记忆能力，由第一法向应力差造成 T↑，或 V↓，或加入填料，高聚物熔体弹性下降，挤出胀大现象明显减轻 挤出胀大现象对挤出制品工艺及模具设计至关重要 挤出胀大现象 3 挤出物的直径或厚度会明显大于孔道尺寸的现象 熔体弹性的表现 熔体弹性行为的典型表现 熔体破裂现象影响高聚物加工的质量和产率的提高 超高分子量聚乙烯 当 V↑（或τ↑），＞ (临界剪切速率）或 （临界剪切应力)，出现弹性湍流，流动不稳定，挤出物表面粗糙。 波浪形 鲨鱼皮状 竹节状 螺旋形畸变 不规则破裂 不稳定流动和熔体破裂现象 4 V↑↑ ，可能先后出现波浪形、鲨鱼皮状、竹节、螺旋型畸变，导致完全无规则的挤出物断裂，称之为熔体破裂 3 高聚物熔体粘流态特征 无定形聚合物三种聚集态(力学三态)：玻璃态、高弹态、粘流态聚合物结晶时产生相态变化 特征温度 Tg—玻璃化温度 Tf—粘流温度 Tm—熔融温度 Tg Tf 形变 模量 1 2 3 300 200 100 0 -100 1-天然橡胶 2-聚氯乙烯（PVC) 3-聚乙烯（结晶） T（℃） 高弹态 玻璃态 粘流态 1 实测的形变值D总实际上是三种形变的总和: D总=D普弹＋D高弹＋D粘流 所谓粘性，是指流体表现出的阻碍流动的性质，也称粘滞性。流体流动时，由于各部分之间存在相对运动，运动快慢的各层之间必定会发生摩擦，这种内部摩擦总是起阻碍流动的作用，所以粘性是流体内摩擦的一种表现。 熔体的粘性是聚合物加工中的一个突出重要的流变性质。 4 粘性流体的分类 dν F dy 运动面 y 剪切流动示意图 静止面 （1） 关于流体层之间摩擦阻力，即粘性，牛顿粘性定律认为，流体运动快、慢层之间的内摩擦阻力与层间接触面积A和层间速度差△v成正比，与层间距离△y成反比，即 式中，dv/dy是速度梯度， 为剪切速率，μ为粘滞系数，常称剪切粘度，表示流体粘性的大小 流体内部抵抗流动的阻力称为粘度，以对流体的剪切应力与剪切速率之比表示。式(1)就是牛顿内摩擦定律的描述。凡是服从牛顿粘性定律的流体统称为牛顿流体，所有气体和低分子液体(如水，甲苯等)均属于牛顿流体，否则为非牛顿流体。