聚合物流变学复习题参考答案2

高分子流变学复习题参考答案
一、名词解释：
1、蠕变：在一定温度下，固定应力，观察应变随时间增大的现象。

应力松弛：在温度和形变保持不变的情况下，高聚物内部的应力随时间而逐渐衰减的现象。

或应力松弛：在一定温度下，固定应变，观察应力随时间衰减的现象。

2、时－温等效原理：升高温度和延长时间对分子运动与高聚物的粘弹行为是等效的，可用一个转换因子αT将某一温度下测定的力学数据变成另一温度下的力学数据。

3、熔体破裂：聚合物熔体在高剪切速率时，液体中的扰动难以抑制并易发展成不稳定流动，引起液流破坏的现象。

挤出胀大：对粘弹性聚合物熔体流出管口时，液流直径增大膨胀的现象。

4、.熔融指数：在标准熔融指数仪中，先将聚合物加热到一定温度，使其完全熔融，然后在一定负荷下将它在固定直径、固定长度的毛细管中挤出，以十分钟内挤出的聚合物的质量克数为该聚合物的熔融指数。

5、非牛顿流体：凡不服从牛顿粘性定律的流体。

牛顿流体：服从牛顿粘性定律的流体。

6、假塑性流体：流动很慢时，剪切粘度保持为常数，而随剪切速率或剪切应力的增大，粘度反常地减少——剪切变稀的流体。

胀塑性流体：剪切速率超过某一个临界值后，剪切粘度随剪切速率增大而增大，呈剪切变稠效应，流体表观“体积〞略有膨胀的的流体。

7、粘流活化能：在流动过程中，流动单元〔即链段〕用于克服位垒，由原位置跃迁到附近“空穴〞所需的最小能量。

8、极限粘度η∞：假塑性流体在第二牛顿区所对应的粘度〔即在切变速率很高时对应的粘度〕。

9、拉伸流动：当粘弹性聚合物熔体从任何形式的管道中流出并受外力拉伸时产生的收敛流动。

或拉伸流动：质点速度仅沿流动方向发生变化的流动。

剪切流动：质点速度仅沿着与流动方向垂直的方向发生变化的流动。

10、法向分量：作用力的方向与作用面垂直即称为应力的法向分量。

剪切分量：作用力的方向与作用面平行即称为应力的剪切分量。

11、粘流态：是指高分子材料处于流动温度〔T f〕和分解温度〔T d〕之间的一种凝聚态。

12、宾汉流体：在流动前存在一个剪切屈服应力σy。

只有当外界施加的应力超过屈服应力才开始流动的流体。

13、稳定流动：流动状态不随时间而变化的流动。

14、零切黏度——剪切速率趋向于零时的熔体黏度，即流动曲线的初始斜率。

15、非牛顿性指数：幂律公式
•
=n
s
Kγ
σ中的n是表征流体偏离牛顿流动的程度的指数，
称为非牛顿指数。

16、粘弹性：外力作用下，高聚物材料的形变行为兼有液体粘性和固体弹性的双重特性，其力学性质随时间变化而呈现出不同的力学松弛现象的特性称为粘弹性。

17、表观粘度：与牛顿粘度定义相类比，将非牛顿流体的粘度定义为剪切应力与剪切速率
之比，其值称为表观粘度，即
•
•
=γ
γ
σ
η/)
(
s
a。

二、简答题：
1、简述聚合物流变行为的特征是什么？
聚合物流变行为的多样性和多元性、聚合物形态对温度和时间的依赖性，是两个表现特性。

聚合物分子结构构象的复杂性是这些特性表现的根本原因。

2、何为粘弹性？为什么聚合物具有明显的粘弹性？举例介绍塑料制品应用和塑料加工中的粘弹性现象？
答案1力学性质随时间变化的现象称为力学松弛现象或粘弹性现象，粘弹性现象主要包括蠕变、应力松弛两类静态力学行为和滞后、内耗两类动态力学行为
答案2力学行为在通常情况下总是或多或少表现为弹性与粘性相结合的特性，而且弹性与粘性的贡献随外力作用的时间而异，这种特性称之为粘弹性。

粘弹性的本质是由于聚合物分子运动具有松弛特性。

例如塑料雨衣挂在钉子上，由于自身重量作用会慢慢伸长，取下后不能完全恢复。

橡胶松紧带开始使用时感觉比较紧，用过一段时间后越来越松。

3、简述线性弹性变形的特点。

➢变形小
在线性弹性变形中，只涉与聚合物分子中化学键的拉伸、键角变化和键的旋转。

因此，其变形量很小，变形时不涉与链段的运动或整个分子链的位移。

➢变形无时间依赖性
变形是瞬间发生的，且不随时间而变化。

➢变形在外力移除后完全回复
变形能完全回复，且也是瞬时完成的，无时间依赖性。

➢无能量损失
外力在变形时转化成材料的内能贮存起来。

外力释放后，内能释放使材料完全回复。

在整个变形和回复过程中无能量损失。

因此，线性弹性也称为能弹性。

➢应力与应变成线性关系
σ=Eε
4、聚合物的粘性流动有何特点?为什么？
与低分子物相比，聚合物的粘性流动〔流变行为，主要是指聚合物熔体，而不包括聚合物溶液〕具有如下特征：
➢聚合物熔体流动时，外力作用发生粘性流动，同时表现出可逆的弹性形变。

➢聚合物的流动并不是高分子链之间的简单滑移，而是运动单元依次跃迁的结果。

➢它的流变行为强烈地依赖于聚合物本身的结构、分子量与其分布、温度、压力、时间、作用力的性质和大小等外界条件的影响。

➢绝大数高分子成型加工都是粘流态下加工的，如挤出，注射，吹塑等。

➢弹性形变与其后的松驰影响制品的外观，尺寸稳定性。

之所以出现以上的特点，主要原因有：
➢高分子的流动是通过链段的协同运动来完成的；
➢高分子的流动不符合牛顿流体的流动规律。

5、试述温度和剪切速率对聚合物剪切粘度的影响。

并讨论不同柔性的聚合物的剪切粘度对温度和剪切速率的依赖性差异。

答：〔一〕随着温度的升高，聚合物分子键的相互作用力减弱，粘度下降。

但是各种聚合物熔体对温度的敏感性不同。

聚合物熔体的一个显著特征是具有非牛顿行为，其粘度随剪切速率的增加而下降。

〔二〕柔性高分子如PE、POM等，它们的流动活化能较小，表观粘度随温度变化不大，温度升高100℃，表观粘度也下降不了一个数量级，故在加工中调节流动性时，单靠改变温度是不行的，需要改变剪切速率。

否则，温度提得过高会造成聚合物降解，从而降低制品的质量。

6、试述影响聚合物粘流温度的结构因素。

➢分子链越柔顺，粘流温度越低；而分子链越刚性，粘流温度越高。

➢高分子的极性大，则粘流温度高，分子间作用越大，则粘流温度高。

➢分子量分布越宽，粘流温度越低。

➢.相对分子质量愈大，位移运动愈不易进行，粘流温度就要提高。

➢外力增大提高链段沿外力方向向前跃迁的几率，使分子链的重心有效地发生位移，因此有外力对粘流温度的影响，对于选择成型压力是很有意义的。

➢延长外力作用的时间也有助于高分子链产生粘性流动，增加外力作用的时间就相当于降低粘流温度。

7、按常识，温度越高，橡皮越软；而平衡高弹性的特点之一却是温度愈高，高弹平衡模量越高。

这两个事实有矛盾吗？为什么？
不矛盾。

原因：1.温度升高，高分子热运动加剧，分子链趋于卷曲构象的倾向更大，回缩力更大，故高弹平衡模量越高；2.实际形变为非理想弹性形变，形变的发展需要一定是松弛时间，这个松弛过程在高温时比较快，而低温时较慢，松弛时间较长，如图。

按常识观察到的温度越
高，橡皮越软就发生在非平衡态，即t<tO.
8、对聚合物熔体的粘性流动曲线划分区域，并说明区域名称与对应的粘度名称，解释区域内现象的产生原因。

第一牛顿区：低剪切速率时, 缠结与解缠结速率处于一个动态平衡, 表观粘度保持恒定, 定为η0, 称零切粘度, 类似牛顿流体。

幂律区〔假塑区〕：剪切速率升高到一定值, 发生构象变化，解缠结速度快, 再缠结速度慢, 流体表观粘度ηa随剪切速率增加而减小, 即剪切稀化, 呈假塑性行为。

为熔体成型区。

第二牛顿区：剪切速率很高时, 缠结全部破坏, 再缠结困难, 缠结点几乎不存在, 表观粘度再次维持恒定〔达最低值〕, 称牛顿极限粘度η∞, 又类似牛顿流体行为。

9、为什么实际橡胶弹性中带粘性，高聚物粘性熔体又带弹性？列举它们的具体表现形式。

如何减少橡胶的粘性?在挤出成型中如何减小成型制品中的弹性成分？
实际橡胶弹性中带粘性的原因：构象改变时需要克服摩擦力。

高聚物粘性熔体又带弹性的原因：分子链质心的迁移是通过链段的分段运动实现的，链段的运动会带来构象的变化。

它们的具体表现形式：橡胶拉伸断裂后有永久残余应变；橡胶快速拉伸会放热；挤出胀大等。

减少橡胶的粘性：适度交联。

大挤出成型中减少成型制品中的弹性成分：提高熔体温度；降低挤出速率；增加口模长径比；降低分子量，特别要减少分子量分布中的高分子量尾端。

10.熔融指数与相对分子质量有什么关系，简述之。

解：高聚物相对分子质量大小对其黏性流动影响极大。

相对分子质量增加，使分子间的作用力增大，显然会增加它的黏度，从而熔融指数〔MI〕就小。

而且相对分子质量的缓慢增大，将导致表观黏度的急剧增加和MI的迅速下降。

11、简述聚合物熔体和溶液的普适流动曲线，说明η0和η∞的含义并以分子链缠结的观点给以解释。

聚合物熔体和溶液的普适流动曲线将流体流动分为三个区域，第一牛顿区，假塑性区和第二牛顿区。

从该曲线可以看出各区内剪切粘度与剪切速率的关系。

第一牛顿区：低剪切速率时, 缠结与解缠结速率处于一个动态平衡, 表观粘度保持恒定, 定为η0, 称零切粘度, 类似牛顿流体。

剪切速率升高到一定值, 发生构象变化，解缠结速度快, 再缠结速度慢, 流体表观粘度a随剪切速率增加而减小, 即剪切稀化, 呈假塑性行为。

为熔体成型区。

剪切速率很高时, 缠结全部破坏, 再缠结困难, 缠结点几乎不存在, 表观粘度再次维持恒定〔达最低值〕, 称牛顿极限粘度η∞, ,又类似牛顿流体行为。

12. 解释为什么高速行驶中的汽车内胎易爆破.
解：汽车高速行驶时，作用力频率很高，Tg上升，从而使橡胶的Tg接近或高于室温。

内胎处于玻璃态自然易于爆破。

13、高聚物熔体产生弹性效应的本质是什么？
高聚物熔体在外力作用下进行粘性流动，流动的同时会伴随一定量的高弹形变，这部分高弹形变是可逆的，外力消失以后，高分子链又蜷曲起来，因而整个形变要恢复一部分。

14、高聚物熔体弹性效应有哪些表现？它们对高聚物制品的性能各有什么影响？
不稳定流动和熔体破裂现象实验表明，高分子熔体从口模挤出时，当挤出速率〔或剪切应力〕超过某一临界剪切速率〔或临界剪切应力τc〕，容易出现弹性湍流，导致流动不稳定，挤出物表面粗糙，失去光泽，类似于橘子皮。

随挤出速率进一步增大，先后出现波浪形、鲨鱼皮形、竹节形、螺旋形畸变，最后导致完全无规则的熔体破裂。

挤出胀大现象是高分子液体具有弹性的典型表现。

从弹性形变角度看，熔体在进入口模前的入口区受到强烈拉伸作用，发生弹性形变。

这种形变虽然在口模内部流动时得到部分松弛，但由于高分子材料的松弛时间一般较长，直到口模出口处仍有部分保留，于是在挤出口模失去约束后，发生弹性恢复，使挤出物胀大。

无管虹吸效应该现象也与高分子液体的弹性行为有关。

液体的这种弹性使之容易产生拉伸流动，拉伸液流的自由表面相当稳定，因而能够产生稳定的连续拉伸形变，具有良好的纺丝和成膜能力。

15、何为挤出胀大现象？举例说明减少胀大比的措施。

①液体流出管口时，液流的直径并不等于管子出口端直径，对粘弹性聚合物熔体，液流直径增大膨胀。

②挤出温度升高，或挤出速度下降，或体系中加入填料而导致高分子熔体弹性形变减少时，挤出胀大现象明显减轻，从而使胀大比减少。

三、选择题：
1、Maxwell 模型可以模拟：〔A 〕
A．线形聚合物的应力松弛过程B.交联聚合物的应力松驰过程
C. 线形聚合物的蠕变过程
D.交联聚合物的蠕变过程
2、下列三类物质中具有粘弹性的是：〔D 〕
A．硬固的塑料B. 硫化橡胶C. 聚合物熔体D. 以上三者均有
3、大多数聚合物流体属于：〔D 〕
A．胀塑性流体〔τ= kγn，n>1〕B. 胀塑性流体〔τ= kγn，n<1〕
C. 假塑性流体〔τ= kγn，n>1〕
D. 假塑性流体〔τ= kγn，n<1〕
4、3.4次方幂律适用于( C )。

A、缩聚物
B、低相对分子质量加聚物
C、高相对分子质量加聚物
5、高聚物为假塑性流体，其粘度随剪切速率的增加而〔B 〕。

A、增加
B、减少
C、不变
6、交联橡胶以下哪一条不正确〔C 〕。

A、形变很小时符合胡克定律
B、具有熵弹性
C、拉伸时吸热
7、下列材料哪种更易从模头挤出〔 A 〕。

A 、假塑性材料
B 、胀塑性材料
C 、牛顿流体
8、在设计制造外径为5cm 管材的模头时，应选择哪种内径的模头〔 A 〕。

A 、小于5cm
B 、5cm
C 、大于5cm
9、聚合物挤出成型时，产生熔体破裂的原因是〔 A 〕。

A 、熔体弹性应变回复不均匀
B 、熔体粘度过小
C 、大分子链取向程度低
10、高聚物滞后现象的发生是什么原因〔 A 〕。

A 、运动时受到内摩擦力的作用
B 、高聚物的惰性很大
C 、高聚物的弹性太大
11、以下哪种现象可用聚合物存在链段运动来解释〔 B 〕。

A 、聚合物泡在溶剂中溶胀
B 、聚合物受力可发生弹性形变
C 、聚合物熔体粘度很大
12、粘弹性表现最为明显的温度是〔 B 〕。

A 、﹤T g
B 、T g 附近
C 、T f 附近
13、聚合物熔体的爬杆效应是因为〔 B 〕。

A 、普弹形变
B 、高弹形变
C 、粘流
14、3.4次方幂律是反映以下什么与相对分子质量的关系〔 B 〕。

A 、溶液粘度
B 、零剪切粘度
C 、玻璃化转变温度
15、对于假塑性流体，随着剪切速率的增加，其表观粘度〔 C 〕。

A 、先增后降
B 、增加
C 、减少
17、大多数聚合物流体属于〔C 〕
A 、膨胀型流体(n K γσ =切，n>1)
B 、牛顿流体(n K γσ =切，n=1)
C 、假塑性流体(n K γσ =切，n>1)
D 、宾哈流体(γσσ K y +=切)
18、在注射成型中能最有效改善聚甲醛熔体流动性的方法是〔C 〕
A 、增大分子量；
B 、提高加工温度；
C 、提高注射速率
19、橡胶产生弹性的原因是拉伸过程中___B____。

A 、内能的变化； B\熵变； C 、体积变化。

20、可以用时温等效原理研究聚合物的粘弹性，是因为__A___。

A 、高聚物的分子运动是一个与温度、时间有关的松弛过程；
B 、高聚物的分子处于不同的状态；
C 、高聚物是由具有一定分布的不同分子量的分子组成的。

21、高分子材料的应力松弛程度与_ C__有关。

A 、外力大小；
B 、外力频率；
C 、形变量。

22、同一种聚合物的三种不同熔体粘度，其大小顺序为：〔C 〕＞〔B 〕＞〔A 〕
〔A 〕无穷剪切粘度；〔B 〕表观粘度；〔C 〕零切粘度
23、将下列三种聚合物用同样的外力拉伸到一定长度后，保持各自的应变不变，经过相当长
的时间后测定其应力，则其大小顺序为：〔C 〕＞〔B 〕＞〔A 〕
〔A 〕理想弹性体；〔B 〕线形聚合物；〔C 〕交联聚合物
24、剪切粘度随剪切速率的增大而减小的流体属于：( A )
〔A 〕假塑性流体；〔B 〕胀塑性流体；〔C 〕宾汉流体
8、根据时温等效原理，当温度从高温向低温变化时，其移动因子aT___大于___1。

9、对于相同分子量，不同分子量分布的聚合物流体，在低剪切速率下，分子量分布___
宽的粘度高，在高剪切速率下，分子量分布____窄____的粘度高。

10、橡胶弹性的本质是____熵弹性，具有橡胶弹性的条件是___长链___、____柔性____与
______交联_____。

橡胶在绝热拉伸过程中____放______热，橡胶的模量随温度的升高而___增大_____。

11、松弛时间τ的物理意义是____松弛过程完成63.2%所需要的时间，τ值越小，表明材
料的弹性越_____小___。

12、在交变应力〔变〕的作用下，应变_____滞后于应力一个相角δ的现象称为滞后，
δ的X围在____0~π/2____，δ的值越小，表明材料的弹性越___好___。

13、假塑性流体的粘度随应变速率的增大而____减小, ___，用幂律方程表
示时，n______小于____1。

14、聚合物熔体的弹性响应包括有___熔体的可回复形变, __包轴效应____，_____
不稳定流动_____、无管虹吸效应与____挤出胀大效应_____等。

15、刚性表示材料抵抗变形的能力，它的大小用弹性模量来衡量，也即应力应变图中
直线的斜率。

斜率越大，模量越高，刚性越大，俗称越硬。

16、橡胶弹性与气体的弹性类似，弹性的本质是熵弹性，具有橡胶弹性的条
件是长链、足够柔性与交联。

橡胶在绝热拉伸过程中放热，橡胶的模量随温度的升高而升高。

17、聚合物流体一般属于假塑性流体，粘度随着剪切速率的增大而减小，用幂
律方程表示时，则n 小于1〔大于、小于、等于〕。

18、通常假塑型流体的表观粘度小于〔大于、小于、等于〕其真实粘度。

19、聚合物相对分子质量越大，则熔体粘度越大；对相同相对分子质量的聚合物而言，
相对分子质量分布越宽，则熔体的零切粘度越大。

20、聚合物熔体的弹性响应包括有可回复的切形变，法向应力效应与挤出物胀
大。

21、聚合物静态粘弹性现象主要表现在蠕变和应力松弛。

22、理想弹性体的应力取决于应变，理想粘性体的应力取决于应变速度。

23、粘弹性材料在交变应变作用下，应变会落后应力一个相角δ，且δ在0~π/2 X围
之内，δ的值越小，表明材料的弹性越好。

24、在交变应变的作用下，材料的储能模量与应变同相，损耗模量与应变的相差为
π/2 。

25、Maxwell模型是一个粘壶和一个弹簧串联而成，适用于模拟线性聚合物的
应力松弛过程；V oigt模型是一个粘壶和一个弹簧并联而成，适用于模拟交联聚合物的蠕变过程。

26、松弛时间为松弛过程完成63.2% (或1- 1/e) 所需的时间，温度越高，高分子链运动的
松弛时间越短。

27、松弛时间τ的物理意义是松弛过程完成63.2% 所需要的时间，τ值越小，表明材
料的弹性越差。