安东帕流变学入门手册

MCR流变仪入门手册

目录

第一部分: 流变学基础知识 (3)

一. 流变学基本概念 (3)

1.1 流变学研究的内容 (3)

1.2 剪切应力与剪切速度 (3)

1.3 粘度 (3)

1.4 流体的分类 (4)

1.5 影响材料流变学性质的因素 (5)

二. 流动特性的研究 - 旋转测量 (7)

2.1 旋转测量的目的 (7)

2.2 旋转测量的方法 (7)

2.3旋转测量中的几种分析模型 (8)

三. 变形特性的研究 – 振荡测量 (10)

3.1 振荡测量的原理 (10)

3.2 振荡测量的方法 (11)

3.3振荡测量中的几种分析方法 (13)

四. 化学反应过程中的流变测试 (14)

五. 温度变化过程中的流变测试 (15)

5.1 粘温曲线测量 (16)

5.2 凝固、熔融过程 (16)

5.3 有化学反应的相转变过程 (17)

5.4 DMTA测量 (17)

六. 流变测量指南 (18)

6.1测试系统的选择 (18)

6.2旋转测试 (18)

6.3振荡实验 (20)

第二部分: 流变仪基础知识 (22)

一. 流变仪的工作原理 (22)

1.1 旋转流变仪的种类： (22)

1.2 MCR旋转流变仪基本结构： (22)

二. 流变仪常用夹具 (24)

2.1 旋转流变仪使用的测试夹具分类： (24)

2.2常用标准测试夹具 (24)

2.3 测试夹具的选择 (26)

三. 流变仪常用控温系统 (26)

3.1. 温度范围在-40~200℃内的Peltier控温系统 (27)

3.2温度范围在-130~400℃内的电加热控温系统 (28)

3.3 强制对流辐射控温系统 (29)

四. 流变仪安装的条件要求 (30)

4.1 环境要求 (30)

4.2电源 (30)

4.3 安装空间的布置： (30)

4.4. 气源（空气轴承流变仪） (31)

五. 流变仪可以扩展的功能模块 – 组合流变测量技术简介 (32)

5.1 通过改变样品的受力方式、运动方式而拓展的附加测试功能 (32)

5.2 把流变测试与结构分析方法相结合的附件 (32)

5.3 在温度、剪切条件的基础上再增加其他影响因素的测试附件 (33)

第三部分：服务与应用 (34)

一. 安东帕流变仪的售后服务方式 (34)

1.1 售后服务方式与联系方式 (34)

1.2 应用支持方式与联系方式 (34)

二. 流变仪的日常维护保养 (34)

2.1 附属设备 (34)

2.2 流变仪主机 (35)

第一部分: 流变学基础知识

一. 流变学基本概念

1.1 流变学研究的内容

流变学—Rheology ，来源于希腊的Rheos=Sream （流动）词语，是Bingham 和Crawford 为了表示液体的流动和固体的变形现象而提出来的概念。流变学主要是研究物质的流动和变形的一门科学。

流动是液体和气体的主要性质之一，流动的难易程度与流体本身的粘性（viscosity ）有关，因此流动也可视为一种非可逆性变形过程。变形是固体的主要性质之一，对某一物体外加压力时，其内部各部分的形状和体积发生变化，即所谓的变形。对固体施加外力，固体内部存在一种与外力相对抗的内力使固体保持原状。此时在单位面积上存在的内力称为内应力（stress ）。对于外部应力而产生的固体的变形，当去除其应力时恢复原状的性质称为弹性（elasticity ）。把这种可逆性变形称为弹性变形（elastic deformation ）,而非可逆性变形称为塑形变形（plastic deformation ）。

实际上，多数物质对外力表现为弹性和粘性双重特性，我们称之为粘弹性，具有这种特性的物质我们称之为粘弹性物质。

1.2 剪切应力与剪切速度

观察河道中流水，水流方向一致，但水流速度不同，中心处的水流最快，越靠近河岸的水流越慢。因此在流速不太快时可以将流动着的液体视为由若干互相平行移动的液层所组成的，液层之间没有物质交换，这种流动方式叫层流，如图1。由于各层的速度不同，便形成速度梯度dv/dh ，或称剪切速率。流动较慢的液层阻滞着流动较快液层的运动，使各液层间产生相对运动的外力叫剪切力，在单位液层面积（A ）上所需施加的这种力称为剪切应力，简称剪切力（Shear Stress ），单位为N·m -2，即Pa ，以τ表示。剪切速度（Shear Rate ），单位为s -1，以表示。剪切速率与剪切应力是表征体系流变性质的两个基本参数。

1.3 粘度

粘度是反应物质流动时内摩擦大小的物理量；根据测量方法的不同，粘度通常有多种表示方法，比如我们最常用的动力学粘度和运动粘度，以及一些特定的粘度测定方法，如流杯、稠度计、恩氏粘度等等。

图1 流体流动时形成的速度梯度

1.4 流体的分类

根据流动和变形形式不同，将流体物质分为牛顿流体和非牛顿流体。牛顿流体遵循牛顿流动法则，非牛顿流体不遵循该法则。

1.4.1. 牛顿流体

实验证明，纯液体和多数低分子溶液在层流条件下的剪切应力τ与剪切速率成正比，下式为牛顿粘性定律（Newtonian equation ），遵循该法则的液体为牛顿流体（Newtonian fluid ）。

/F A τη=⋅ 或 τηγ∙

=⨯ (1)

式中，F ：A 面积上施加的力；η：粘度（viscosity ）或粘度系数（viscosity coefficient ），是表示流体粘性的物理常数。SI 单位中粘度用Pas 表示；常用单位还有mPas 、P （泊）、cP （厘泊），其中1P=0.1Pas ，1cP=1mPas 。

根据公式可知牛顿液体的剪切速率与剪切应力τ之间关系，如图2所示，呈直线关系，且直线经过原点。这时直线的斜率表示粘度，粘度与剪切速度无关，而且是可逆过程，只要温度一定，粘度就一定。

表 1 20℃条件下几种牛顿流体的绝对粘度

液 体 粘 度/mPas 蓖麻油 1000 氯 仿 0.563 乙 醇 1.19 甘 油 400 橄榄油 100 水 1.0050

1.4.2 非牛顿流动

实际上大多数液体不符合牛顿定律，如高分子溶液、胶体溶液、乳剂、混悬剂、软膏以及固-液的不均匀体系的流动均不遵循牛顿定律，因此称之为非牛顿流体（non-Newtonian fluid ），此种物质的流动现象称为非牛顿流动（non-Newtonian flow ）。对于非牛顿流体可以用旋转粘度计测定其粘度，对其剪切应力τ随剪切速率的变化作图可得，如图3和图4中所示的流动曲线（flow curve ）或粘度曲线(viscosity curve)。根据非牛顿流体流动曲线的类型把非牛顿流动分为塑性流动、假塑性流动和胀性流动三种。 1.4.2.1 塑性流动

图2 牛顿流体的流动曲线和粘度曲线