流变学+第八章
浆体的胶体化学原理
吸附水
对于同价离子，半径越小则水化膜越厚。
水化半径大的离子与粘土的吸力小。
对于不同价离子，情况复杂。
高价离子的水化分子数小于低价离子，但高价离子具有更高的表面电荷密度，高价离子与粘土的表面静电力的影响可超过水化膜厚度的影响。
H+>Al3+> Ba2+>Sr2+>Ca2+>Mg2+>NH+>K+>Na+>Li+
粘土在水介质中充分分散，称为泥浆的胶溶。
继续增加电解质，泥浆内粘土粒子相互聚集粘度增加，称为泥浆的絮凝或泥浆增稠。
聚合阴离子可中和边上的正电荷，或提高面上的负电荷，提高泥浆的胶溶性。
可塑性只发生在某一适宜的含水量范围。
pH值的变化可引起ζ电位的增减或变号，致使氧化物泥浆胶溶或絮凝。
时，ζ电位＝+ 183mV pH=12时，ζ电位＝-70.4mV
AlCl 3+H 2O AlCl 2OH+HCl
AlCl 2OH+H 2O AlCl(OH)2+HCl
胶粒优先吸附AlO2-使胶粒带负电，然后吸附Na+。
Rheology(流变学基础)
二．非牛顿流动
实际上大多数液体不符合牛顿粘度定律， 实际上大多数液体不符合牛顿粘度定律，如高分子溶 胶体溶液、乳剂、混悬剂、软膏以及固液、胶体溶液、乳剂、混悬剂、软膏以及固-液的不均匀 体系的流动。把这种不遵循牛顿粘度定律的物质称为非牛 不遵循牛顿粘度定律的物质称为 体系的流动。把这种不遵循牛顿粘度定律的物质称为非牛 顿流体，这种物质的流动现象称为非牛顿流动 非牛顿流动。 顿流体，这种物质的流动现象称为非牛顿流动。 非牛顿流体的剪切速度D和剪切应力S的变化规律，经 非牛顿流体的剪切速度D和剪切应力S的变化规律， 作图后可得四种曲线的类型：塑性流动、假塑性流动、 作图后可得四种曲线的类型：塑性流动、假塑性流动、胀 形流动、触变流动。 形流动、触变流动。 对于非牛顿流体可以用旋转粘度计进行测定。 对于非牛顿流体可以用旋转粘度计进行测定。
对于这种粘弹性， 对于这种粘弹性，我们用弹性模型化的弹簧和把 粘性通过模型的缓冲器的复合型模型加以表示： 粘性通过模型的缓冲器的复合型模型加以表示： 麦克斯韦尔（Maxwell） （一）麦克斯韦尔（Maxwell）模型 福格特（Voigt） （二）福格特（Voigt）模型 （三）双重粘弹性模型 （四）多重粘弹性模型
胀性液体的流动公式： 胀性液体的流动公式： /η D= Sn /ηa n<1，为胀性流体； n<1，为胀性流体； 当n接近1时，流动接近牛顿流动。 接近1 流动接近牛顿流动。
（d）胀性流动
胀性流体的结构变化示意图
• 胀性流动的特点：没屈伏值；过原点；切应速度很小时， 胀性流动的特点：没屈伏值；过原点；切应速度很小时， 液体流动速度较大，当切应速度逐渐增加时， 液体流动速度较大，当切应速度逐渐增加时，液体流动速度 逐渐减小，液体对流动的阻力增加，表观粘度增加， 逐渐减小，液体对流动的阻力增加，表观粘度增加，流动曲 线向上弯曲。 线向上弯曲。 • 在制剂中表现为胀性流动的剂型为含有大量固体微粒的高 浓度混悬剂如50%淀粉混悬剂、糊剂等。 50%淀粉混悬剂 浓度混悬剂如50%淀粉混悬剂、糊剂等。
《聚合物流变学》课程教学大纲(本科)
聚合物流变学(Rheology for Polymer)课程编号：07410156学分：2学时：32 （讲课学时：32）先修课程：高等数学，大学物理，高分子物理适用专业：高分子材料与工程教材：高分子流变学基础，史铁钧、吴德峰著.北京：化学工业出版社，2011年4 月第一版一、课程的性质与任务：（-）课程性质（需说明课程对人才培养方面的贡献）本课程是面向高分子材料与工程高年级本科生的专业基础选修课，本课程的内容与高分子成型加工、高分子工程、高分子物理等方向密切相关，是高分子材料专业学生进一步开展这些方向的深入学习和研究的基础。
本课程旨在介绍聚合物熔体流变学原理及其在加工过程中的专业应用，通过研究热和力对聚合物流体流动和变形的影响。
使学生了解聚合物熔体的粘性流动、弹性效应及其流变测定法、守恒方程和本构方程、流体在简单几何形状流道中的流动，以及挤出、注塑、压延和吹塑等成型过程中的流动。
另外，对挤出机、双辐机和密炼机的混合特性进行研究，使学生进一步掌握各种高分子材料成型工艺。
本课程的主要目的是使学生掌握相关流变学的思想，理解相关理论，并能够利用流变学相关理论知识解决工程中遇到的实际问题。
（二）课程目标（根据课程特点和对毕业要求的贡献，确定课程目标。
应包括知识目标和能力目标。
）课程目标1:掌握聚合物材料的独特流变学特征，并理解相关机理；课程目标2：掌握聚合物结构与其流变学特征之间的关系；课程目标3：掌握流变学性能的相关测试及其原理；课程目标4：掌握影响聚合物流变学特征的各种因素，能够通过调控相关因素来控制流变行为。
二、课程内容与教学要求（按章撰写）第一章绪论（一）课程内容（列出主要知识点、能力点）（1）流变学的历史和现状（2）流变学的研究对象和方法（3）高分子材料典型的流变行为（4）流变学在高分子材料加工中的应用（二）教学要求（将相关内容按照掌握、理解、了解等不同教学要求进行分类）通过学习使学生掌握聚合物流变学的基本概念、内容和意义，了解聚合物流变学的发展历史，懂得聚合物流变学的发展趋势和方向，了解聚合物流变学中的一些奇特现象以及理解产生这种特殊的行为的物理原因是什么。
聚合物流变学(绪论)
❖ 加工流变学：属于宏观流变学，主要研究
与高分子材料加工工程有关的理论与技术 问题。
❖ 比如说，研究加工条件变化与材料流 动性质（主要指粘度、弹性）及产品力学 性质之间的关系，异常的流变现象如挤出 胀大、熔体破裂现象发生的规律、原因及 克服办法；高分子材料典型加工成型操作 单元（如挤出、吹塑、注射等过程的流变 学分析；多相高分子体系的流变性规律， 以及模具与机械设计中遇到的种种与材料 流动性质有关的问题等。）
32
主要内容：
挤出流变学 密炼流变学 塑炼流变学 压延流变学 注模流变学 吹塑流变学 熔体纺丝流变学
33
研究和学习流变学的意义
1）对高分子材料合成而言，流变学与高分子化学结合在一 起，流变性质通过与分子结构参数的联系成为控制合成产 物品质的重要参数。
2）对高分子材料成型加工而言，流变学与高分子物理学和 高分子材料成型工艺原理结合在一起，成为设计和控制材 料配方及加工工艺条件，以获取制品最佳的外观和内在质 量的重要手段。
图 1-8 孔压误差 21
牛顿型流体不存在孔压误差，无论压力传 感器端面安装得与流道壁面是否相平，测得 的压力值相等。高分子液体有孔压误差现象。
22
2 原因：在凹槽附近，流线发生弯曲，但法向应
力差效应有使流线伸直的作用，于是产生背向凹 槽的力，使凹置的压力传感器测得的液体内压力 值小于平置时测得的值。在实施流变测量时，应 当注意这一效应。同样地，当高分子液体流经一 个弯形流道时，液体对流道内侧壁和外侧壁的压 力，也会因法向应力差效应而产生差异。通常内 侧壁所受的压力较大。
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二、Weussebberg效应
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三、Barus效应
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四、不稳定流动与熔体破裂
血液流变学入门
一．血液流变学入门1．什么是血液流变学？血液流变学是生物流变学的重要分支，是研究有关血液的变形性与流动性的科学。
2．血液流变学包括那些主要内容？血液流变学包括两部分内容：宏观血液流变学和微观血液流变学，前者包括血液粘度、血浆粘度、血沉、血液及管壁应力分布，后者包括红细胞聚集性、红细胞变形性、血小板聚集性、血小板粘附性等，故又称为细胞流变学。
随着生物技术的高速发展，后者又进一步深入到分子水平的研究，包括血浆蛋白成分对血液粘度的影响，介质对细胞膜的影响、受体作用等，故称为分子血液流变学。
由于血液流变学近十几年来在临床的应用越来越广泛，在疾病的诊断、治疗、疗效判定和预防等均有重要的意义。
3．血液流变学的研究范围血液流变学的研究范围很广泛，包括血液流量、流速、流态；血液凝固性；血液有形成分；血管变形性；血管弹性和微循环等内容。
4．血液流变学有何临床上的意义研究高血粘滞综合征：这是一个临床医学上的新概念，它是由于机体一种或多种血液粘滞因素升高而造成。
例如：血浆粘度升高、全血粘度升高、红细胞刚性升高、红细胞聚集性升高、血小板聚集性升高、血小板粘附性升高、血液凝固性升高、血栓形成趋势增加等。
由于这些因素的异常改变，是机体血液循环特别是微循环障碍，导致组织、细胞缺血和缺氧。
临床可见于真性红细胞增多症、肺源性心脏病、充血性心力衰竭、先天性心脏病、高山病（高原反应）、烧伤、创伤、中风、糖尿病、冠心病心绞痛、急性心肌梗塞、血栓闭塞性脉管炎、高脂血症、巨球蛋白血症、肿瘤等。
研究低粘滞血综合征：主要表现为血液粘滞性低于正常，形成低粘滞血征的原因主要是红细胞压积降低，多见于出血、贫血、尿毒症、肝硬化腹水、晚期肿瘤、急性白血病等。
用于某些疾病的鉴别诊断：血液流变性改变在临床上可用于某些疾病的鉴别诊断，例如：红细胞变形能力的降低可用于鉴别急性心肌梗塞与重度心绞痛。
用于治疗疗效的判断指标：高粘滞血征和低粘滞血征时血液流变学各项指标为临床观察的重要指标，真性红细胞增多症患者的红细胞压积和血液粘度是判断临床疗效的指标。
流变学课件
平均流速：对圆管面积平均，
V
=
1 2 Vmax
对直径或半径平均，
V
=
2 3 Vmax
流变学基础 --牛顿流体在圆管中的层流
管壁处流体的切变率：
v
=
Δp 4η l
⋅ (r02
−
r2)
⇒
γw
= dv dr
r=r0
=
2vmax r0
=
4v r0
vmax
=
Δp 4ηl
⋅ r02
流量一定，切变率与管径成反比；
“万物皆流” －－Heraclitus
“逝者如斯夫，不舍昼夜”
生物流变学
一个既研究物体的流动又研究其变形的 科学称为流变学(rheology)，其中研究生命 现象中的流变学部分称为生物流变学 (biorheology)。
研究生物体及其各个组成系统、器官、细胞和生物 大分子的流变性以及它们所表现出来的生命活动中 的流变现象的这一部分称为生物流变学。
1
生物流变学
流变性：物体在适当的外力作用下能够流动或 变形的特性。 流变学的研究对象无所不包: 鱼在水里游，鸟在天上飞，人在地上走；肌肉 的收缩和舒张；神经的兴奋和传导；骨、关节、 韧带等的变形；细胞的分裂、融合，胞吞、胞吐， 白细胞的吞噬作用等。
血液流变学
研究血液及其有形成分流动与变形规律 的部分称为血液流变学（hemorheology）。
所以τ：× 2πrl = πr 2Δp τ × 2l = rΔp
τ = τ w ⋅ r / r0
⇒ τ = r ⋅ Δp / 2l τ w = r0 ⋅ Δp / 2l
流变学基础 --牛顿流体在圆管中的层流
速度分布：符合泊肃叶定律速度分布式
《流变学基础》课件
应变：物体受到外 力作用时，形状或 尺寸发生的变化
应变速率：物体应 变的速度，通常用 单位时间内应变的 变化量来表示
应力、应变和应变速 率是流变学的基本概 念，它们之间的关系 是流变学研究的核心 内容
屈服点：材料在受 到外力作用下，开 始发生塑性变形时 的应力值
屈服应力：材料在 屈服点时的应力值
研究方向：多 学科交叉融合， 如生物流变学、 环境流变学等
技术挑战：提 高测量精度、 开发新型流变
仪等
应用领域：拓 展到更多工程 领域，如航空 航天、生物医
学等
理论创新：建 立更完善的流 变学理论体系， 解决复杂流变
问题
汇报人：
流变学中的本构方程是描述材料在应力作用下的变形和流动的基本方程。 本构方程可以分为线性本构方程和非线性本构方程。 线性本构方程是最简单的本构方程，它假设材料的变形和流动是线性的。 非线性本构方程则考虑了材料的非线性变形和流动特性。
PART FIVE
流变仪：用于测量流体的流变 特性
旋转流变仪：用于测量流体的 剪切应力和剪切速率
温度升高，流变特性增强 压力增大，流变特性减弱 温度和压力共同作用，影响流变特性 实验和测量技术：需要精确控制温度和压力，以获得准确的流变特性数据
流变特性：材料在应力作用下的变形和流动特性
微观结构：材料的内部结构，包括原子、分子、晶格等
机理：流变特性的物理和化学机制，如分子间的相互作用、晶格变形等
玻璃材料：具有透明、易加工、耐腐蚀等特点，广泛应用于建筑、光学等领域
流变学在陶瓷和玻璃材料中的应用：研究材料的变形、断裂、蠕变等行为，为材料的设 计和加工提供理论依据
流变学在陶瓷和玻璃材料中的应用实例：陶瓷材料的烧结工艺、玻璃材料的成型工艺等
流变学第八章
脆性韧性转变温度
(2) 应变速率的影响 根据时温等效原理，应变速率变化与温度变化等效．即提高应 变速率与降低温度等效，降低应变速率与升高温度等效。下图 为聚丙烯在不同拉伸速率时的断裂行为，由图可见，在高拉伸 速率时的行为与低温时相同，表现为延伸较小，韧性降低
4) 软而韧的材料，它在较低的应力发生屈服，模量较低， 但断裂延伸较大，断裂应力也较低。这种材料也称为柔性 材料，其柔性好。软聚氯乙烯、低密度聚乙烯的断裂属于 这种类型
5) 软而弱的材料，它的模量低，但有—定延伸，断裂强度 低。末硫化的橡胶的断裂属于这种类型
6) 弱而脆的材料，它发生脆性断裂，而且模量很低。固体 状态的低聚物，如热塑性酚醛树脂、环氧树脂的断裂届于 这种类型，它们必须经交联形成网状结构才能作为材料使 用
8.2.3．橡胶的断裂
橡胶为轻度交联的聚合物，其平衡应力应变关系已在第5章 中进行了讨论。橡胶的断裂过程与线型聚合物有所不同，在 高于Tg时，其应力应交曲线中没有屈服点 在不同应变速率下(或不同温度下)测 定橡胶的应力应变曲线，可得到如 图的结果。图中OA、OB、OC等为 在不同应变速率下测得的应力应变 曲线，应变速率按图中箭头方向增 大。A、B、C各点为不同应变速率 时的断裂点。由图可见，随着应变 速率的提高，断裂应力提高，而延 伸率先升后降。将断裂点A、B、C 等连接起来得到的曲线称为包络线
拉伸时出现细颈的应力称为重结晶应力或强迫高 弹性应力，是结晶聚合物的重要机械性能之一。 重结晶应力与无定形聚合物的屈服应力在概念上 是有区别的，但实际应用中往往不加区分
拉伸的影响
如果结晶聚合物已经取向拉伸，则有各向异性。结晶聚合 物经拉伸取向后，在拉伸方向的强度大大高于未拉伸方向的 强度。要得到两个方向均匀的强度，可以进行双向拉伸，例 如双向拉伸的聚丙烯薄膜 单向拉伸的结晶聚合物的断裂行为与拉伸的方向有关。拉 伸方向与原来单向拉伸取向方向相同。如取向程度已相当高 ，则拉伸时不再发生屈服，延伸率也较小；如取向程度较低 ，则可能有较大的延伸 拉伸方向与原来取向的方向垂直，则如果脆性断裂强度低 于重结晶应力，即在重结晶前断裂，则发生脆性断裂，强度 较低；如重结晶应力较低，则断裂过程类似于未取向的结晶 聚合物，分子链在垂直方向重新取向和结晶，最后得到与原 取向方向垂直的新结晶聚合物，最后经应变硬化断裂
流变学基础及应用ppt课件
流变学基础
影响流动性a的主要因素
温度：温度升高，粘度下降
Aexp(E /RT)
E 流动活化能
流动活化能是描述材料粘-温依赖性的物理量。流动过程中，流动单元用于
克服位垒，由原位置跃迁到附近“空穴”所需要的最小能量
（J/mol,kcal/mol）,反映材料粘度变化的温度敏感性。活化能与分子结构关 系大，与分子量关系不大。Lgη0(T)=lgK+E η/2.303RT，一E η般(σ )为表观活化能
增塑剂：①降低熔体粘度，降低熔点，改善流动性。应用于粘度大，熔点高 难加工的高填充高分子体系，增大大分子链之间的间距，减少分子 链间作用，降低物理缠结点密度。
2019/11/26
流变学基础
高分子链的化学结构对粘度的影响
分子量：分子量越高高，粘度增加
分子量越大,完成大分子的质心移动所需要的协同运动单元的数目就越多,内摩 擦阻力就越大.LDPE分子量增加不到三倍,则它的粘度增加了四到五个数量级
缠结，并产生滑移，所以频率依赖
性很强。
上述比较是在重均分子量相同，分布也近似的条件下 典型短支链HDPE，LLDPE，长支链-LDPE
2019/11/26
流变仪
旋转流变仪
毛细管流变仪
小角度的振荡，可以提供如熔融黏度、 分子质量、重均分子量分布和聚合物松 弛等。储能（弹性）模量及损耗（粘性） 模量与振荡频率的关系图。
刚性链: 或分子间作用大,或侧基 空间位阻大： 流动活化能大，对温度敏感。 Eg ：PC、PMMA、PAN、PS 柔性链:分子间作用力小： 流动活化能小，粘度对温度较不 敏感 Eg：PE、PP、POM
实际意义: 对于刚性分子:PC,PMMA,用升高 温度的方法,可以有效的降低粘度, 使流动性变好，有利于加工。 对于柔性分子:PE,PP,POM等,由 于活化能小,仅靠升高温度来改善 流动性是不可能的，还要用其它 方法才行。
聚合物流变学习试题库完整
1. 一个纸杯装满水置于桌面上，用一发子弹从桌面下部射入杯子，并从杯子的水中穿出，杯子仍位于桌面不动。
如果杯里装的是高聚物溶液，这次子弹把杯子打出8米远，解释之。
答：低分子液体如水的松弛时间是非常短的，它比子弹穿过杯子的时间还要短，因而虽然子弹穿过水那一瞬间有黏性摩擦，但它不足以带走杯子。
高分子溶液的松弛时间比水大几个数量级，即聚合物分子链来不及响应，所以子弹将它的动量转换给这个“子弹－液体－杯子”体系，从而子弹把杯子带走了。
2. 已知增塑PVC 的Tg 为338K ，Tf 为418K ，流动活化能 ，433K 时的粘度为5Pa. s 。
求此增塑PVC 在338K 和473K 时的粘度各为多大？答：在 范围内，用WLF 经验方程计算又因为473K>Tf ，故用Arrhenius 公式计算， 或3. 溶液的粘度随着温度的升高而下降，高分子溶液的特性粘数在不良溶剂中随温度的升高而升高，怎样理解？答：在常温下，线团密度很大时，随温度升高，线团趋向松解，粘度增高。
在良溶剂中线团密度已经很小，随着温度的升高，线团密度变化不大，粘度降低。
4. 为何同一种高聚物分子量分布宽的较分布窄的易于挤出或注射成型?分子量分布宽的试样的粘度对切变速率更敏感，随切变速率的提高，粘度比窄分布的试样131.8-⋅=∆mol kJ E ηC T T g g 100+-3015.11)338433(6.51)338433(44.17log 433-=-+--=g T ηη004.123015.115log log =+=g T ηsPa g T ⋅=∴1210ηRT E e /0ηηη∆=8226.0)43331.81031.8exp()47331.81031.8exp(33)433()473(=⨯⨯⨯⨯=ηηsPa ⋅=⨯=∴1.48226.05)473(η低。
5. 为什么高分子熔体的表观粘度小于其真实粘度？6. 不受外力作用时橡皮筋受热伸长；在恒定外力作用下，受热收缩，试用高弹性热力学理论解释.答：（1）不受外力作用，橡皮筋受热伸长是由于正常的热膨胀现象，本质是分子的热运动。
注塑工艺过程
第八章注塑成型过程及注塑模具计算机辅助设计中的流变学问题1．注塑成型过程的流变分析1．1注塑成型过程简介注塑成型，又称注射模塑，是热塑性塑料制品重要的成型方法。
可用于生产形状结构复杂，尺寸精确，用途不同的制品，产量约占塑料制品总量的30%。
近年来，热固性塑料，越来越多的橡胶制品，带有金属嵌件的塑料制品也采用注射成型法生产。
精密注射成型，气辅注射成型，多台注射机共注射及注射成型过程的全自动控制等为注射成型工艺发展的新领域。
注塑成型的主要设备是柱塞式或螺杆式往复注射机，以及根据制品要求设计的注射模具。
塑化好的熔体靠螺杆或柱塞的推力注入闭合的模腔内，经冷却固化定型，开模得到所需的制品（见图8-1）。
图8-1 典型注射成型设备示意图注塑过程是循环往复、连续进行的。
全部注塑过程由一个主循环和两个辅助工序组成，见图8-2。
图8-2 注塑过程循环示意图与该过程相对应，一个循环中模腔内物料承受的压力随时间或温度的变化曲线如图8-3所示。
图中各段时间的总和为一个注塑成型周期。
图8-3 典型注塑周期的程序图1－柱塞前进时间；2－合模时间；3－开模时间；4－残余压力；a－静置时间；b－充模时间；c－保压时间；d－倒流时间；e－封口时间；f－封口后冷却时间要得到令人满意的注塑制品，除掌握准确的时间程序外，还要借助于流变学理论，掌握模腔内的物料填充情况，即掌握流道和模腔内的压力变化程序和温度变化程序。
目前已经能够运用流变学和传热学理论，采用计算机辅助设计方法，数值计算模具设计中遇到的一些与流道设计、传热管路设计有关的问题，数字模拟流道和模腔内的物料填充图和压力、温度场分布图，为模具设计提供有价值的资料。
但是由于各种模具内流道形状复杂，模具温度不稳定，物料注射速度高，非牛顿流动性突出，流动过程间歇，所以对这样一个复杂的注射过程要求得其精确解几乎是不可能的。
下面首先运用流变学基本方程，结合若干经验公式，对注模过程中模腔内压力的变化进行分析，说明一些有意义的现象；然后介绍注射模具计算机辅助设计中的流变学方法。
流变学PPT课件
流变学（Rheology ）的定义
• 流变学是研究物质形变和流动的科学流变学是研究流动与 变形的科学 。对于粉末冶金、塑料、油漆、印刷油墨、 清洁剂、石油等行业的科技人员来说，拥有流变学知识是 十分必要的。从物质状态来说，流变学的研究对象包括固 体、流体和悬浮体。因此流变学又可分为固体流变学、流 体流变学和悬浮体流变学。在工业生产与日常生活中，对 流体流变学的研究远远超过固体
16
•
由于高分子量和液晶相序的有机结合，液晶高分子具有一些优异
特性，拥有广泛的应用前景。例如，它是强度和模量最高的高分子，
能用于制造防弹衣、缆绳乃至航天器的大型结构部件；它可以是膨胀
系数最小的高分子，适于光纤的保护层；也可以是微波吸收系数最小
的耐热性高分子，特别适合制造微波炉具；它还可以是最具铁电性及
调。磁流变液的优良特性使其在航空航天（真空中）、
武器控制、机器人、噪声以及汽车、船舶与液压工程等领 域具有广阔的应用前景。
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3
流体及其分类
• 流体是液体和气体的总称。流体是由大量的、不断作热运 动而且无固定平衡位置的分子构成的，它的基本特征是没 有一定的形状和具有流动性。通常依据在一定的温度和一 定的剪切应力作用下流体所表现出的特性，把其划分为牛 顿流体与非牛顿流体两大类。这个特性就是粘度，粘度是 表示体系对流动阻力的一种性质，它可以理解为液体流动 时表现出的内摩擦。以下，我们仅研究非牛顿流体
在许多疾病临床症状出现之前就可以观察到血液流变特性的改变因此及时了解血液流变特性的变化采取有效措施改善血液流变特性是预防和治疗疾病防止疾病恶化的重要手段之一正常情况下血液在外力血压的作用下在血管内流动并随着血管性状管壁情况和血管形状等及血液成分粘度的变化而变维持正常的血液循环
演示文稿第八章发酵过程的放大
第1页，共129页。
“发酵放大是一门艺术，而不是一门科学”
—— A.E.Humphrey
第2页，共129页。
就目前为止，生化放大过程一直是一个难 题。
虽然很难用理论分析，但是并不是放大问 题没解决就不能放大，反应器的不足可以 通过工艺及控制手段来弥补，工艺的欠缺 也可以通过改善反应器型式来修正。
为0.33~0.45） （5）恒定的混合时间tM放大
第40页，共129页。
（一）以kLa为基准的比拟放大法
（二）以Po/V相等为准则的比拟放大 （三）其他的比拟放大方法
第41页，共129页。
例： 某厂试验车间用枯草杆菌在100升罐 中进行生产。—淀粉酶试验， 获得良好 成绩。放大至20立方米罐。
单位体积吸收的功率及Kla值成正比关系 虽然摇瓶发酵液有少量的核算类物质漏出，
其漏出率远低于发酵罐。
第25页，共129页。
摇瓶放大培养的结果 溶氧敏感，罐中生产能力可能高于摇瓶；
机械损伤敏感，罐中的生产能力低于摇瓶； 溶氧和机械损伤都敏感，其结果随发酵罐
中的特性而定
第26页，共129页。
如何从摇瓶发酵获得参数用于发酵罐 试验
2. CO2浓度的差异
CO2是微生物的代谢产物
多数微生物适应低CO2浓度 （0.02~0.04%）。当排除的CO2浓度高于 4%时，碳水化合物的代谢及呼吸速度下降，
影响菌体生长、形态及产物合成
第22页，共129页。
摇瓶——常压状态； 发酵——正压状态
在这两种发酵形式中CO2在发酵液中的溶
第42页，共129页。
以KLa为基准的比拟放大
第43页，共129页。
P0——不通气时的搅拌功率
流变学基础
应力松弛测量
10
瞬时阶跃应变
1.0 应变 %
0.1
0.01
恒定应变
0.001 0.01 0.1
1
10
100
时间 log secs
G 松弛模量 (Pa)
应力松弛测量
H (Pa) 松弛时间谱
0.001 0.01 0.1
1
10
100
时间 log secs
应力松弛谱图
• 瞬时阶跃响应时间小于5 ms • 应变没有过冲 • 快速的模量衰减 - 粘性样品
锥板的不利之处
• 溶剂产生挥发
• 顶点处 的小间 隙，在测量带粗 糙填料的体系时 受到限制
杯 和 转子 (同轴圆桶)
• 很宽的间隙 (11.5mm)，适合填充 材料
• 更大的表面积，测 量稀薄液体时更灵 敏
• 减少了挥发
杯和转子的不利ห้องสมุดไป่ตู้处
• 清除样品更困难
• 与 Peltier 或其它 平板加热体系， 兼容性相对较差
• 这个流动能够描述为应变随时间变化的函数关系
Force, F
Constant velocity, v h
粘性流动
• 如果立方体是粘性液体，当我们施加一个力时，我们就 得到一个恒定的流动而不是一个形变
• 这个流动能够描述为应变随时间变化的函数关系
Force, F
Constant velocity, v h
剪切粘度
粘度 = 剪切应力 剪切速率
• 单位:
– Pascal second - Pas (SI)
– Poise
- P (CGS)
• 单位换算:
– 1 Pas = 10 P 或 1 mPas = 1 cps
流变学
14 流变方程的作用包括：
① 流变方程可以区分流体类型，即不同类型的流体要用不同的流变方程来描述；
② 从流变方程可以获得流体内部结构的有关信息，如相转变等；
③ 流变方程与有关流体流动方程相联立，可用于解决非牛顿流体的动量、热量和质量传递
等工程问题。
15 对一些简单的流变性质的描述也可用曲线形式表示，如剪切应力与剪切速率关系曲线、
20 分散体系可以是均匀的也可以是非均匀的系统。
⑴均匀分散体系是由一相所组成的单相体系，而非均匀分散体系是指由两相或两相以上所组
⑵成的多相体系。
⑶如果被分散的粒子小到分子状态的程度，则分散体系就成为均匀分散体系。
⑷非牛顿流体往往是一种非均匀分散体系。
21 对非均匀分散体系，被分散的一相称为分散相或内相，把分散相分散于其中的一相称为
1. 爬杆现象，又称韦森堡（Weissenberg）效应 2. 挤出胀大现象 3. 同心套管轴向流动现 象 4. 回弹现象 5. 无管虹吸现象 6. 次级流现象 35 粘弹性流体与触变/反触变流体的时间效应区别
粘弹性流体与触变性/反触变性流体均具有剪切的时间效应。 例如，当突然给一流体施加一剪切应力时，相应的剪切应变随时间而变化，其原因可明显地 分为两类 一类是对应粘弹性流体的，提供给流体的机械能（剪切应力提供）的一部分作为弹性能而储 存起来，相对于一特定的剪切应力，当逐渐达到其最大储存能量时，所需的能量供给速率降 低到仅用于维持流体的粘性流动，因此，相应的剪切速率随时间逐渐减小，最后达到恒定值。
26 使流体产生大于 0 的剪切速率所需要的最小剪切应力，称之为屈服值。屈服值的大小是 体系所形成的空间网络结构的性质所决定的。 27 与时间无关的粘性流体的共同特点：
流体内部物理结构的变化都是瞬间即可调整到与剪切力相适应的程度。即给定一个剪切 应力就对应一个剪切速率，反之，给定一个剪切速率就对应一个剪切应力，粘度或表观粘度 不随时间变化。 28 若粘性流体内部结构的变化需要一个较长的时间过程才能调整到与流动条件或静止条件 相适应的结构平衡状态，那么，在这种结构变化过程中，流体的宏观表现就是流体的表观粘 度与时间有关，这种流体就称为与时间有关的粘性流体。 28 在恒定的剪切应力或剪切速率作用下，流体表观粘度随时间连续下降，并在剪切应力或 剪切速率消除后，表观粘度随之恢复的现象，称为触变性。 29 反触变性流体在恒定的剪切应力或剪切速率作用下，流体表观粘度随时间而增加。其性 质正好与触变性相反。 30 触变性特征：
Rheology(流变学基础)概述
三.粘弹性(Viscoelasticity)
➢ 高分子物质或分散体系具有粘性(viscosity)和弹性 (elasticity)双重特性，称之为粘弹性。
➢ 其原因主要是随着温度 的升高凡士林的蜡状骨架 基质产生崩解，另一方面， 液体石蜡聚乙烯复合型软 膏基质，通常在温度发生 变化的条件下能够维持树 脂状结构。
剂型设计和制备工艺过程中流变学的主要应用领域
➢ 应力缓和(stress relaxation)：物质被施加一定的压力 而变形，并使其保持一定应力时，应力随时间而减少，此 现象称为应力缓和。
➢ 蠕变性(creep)：对物质附加一定的重量时，表现为一 定的伸展性或形变，而且随时间变化，此现象称为蠕变性。
对于这种粘弹性，我们用弹性模型化的弹簧和把 粘性通过模型的缓冲器的复合型模型加以表示：
➢ Mervine和Chase提出混悬剂在贮藏过程中切变速度小 ，显示较高的粘性，切变速度变大，显示较低的粘性。即 混悬剂在振摇、倒出及铺展时能否自由流动是形成理想的 混悬剂的最佳条件。
表现假塑性流动的西黄蓍胶、 海藻酸钠、羧甲基纤维素钠等 物质，具有上述性能。图中用 牛顿流体性质的甘油为对照组 进行实验，结果说明，甘油的 粘性作为悬浮粒子的助悬剂较 为理想。如果从容器中到出以 及在皮肤表面涂膜时其粘度较 高,由于甘油本身的稠度较大， 且吸湿性高，所以不经稀释则 无法使用。触变性物质在静置 状态下可形成凝胶，经振摇后 转变为液状。
基质。
（二）流变学在乳剂中的应用
➢ 乳剂在制备和使用过程中往往会受到各种切变力的影响 。在使用和制备条件下乳剂的特性是否适宜，主要由制剂 的流动性而定。例如，为了使皮肤科用的制剂或化妆品达 到其质量标准，必须调节和控制好制剂的伸展性。另外， 为了使皮肤注射用乳剂容易通过注射用针头，且容易从容 器中倒出以及使乳剂的特性适合于工业化生产工艺的需要 ，掌握制剂处方对乳剂流动性的影响非常重要。
流变学的内容
流变学的内容
《说说流变学的那些事儿》
嘿，今天咱来唠唠流变学。
流变学啊，很多人可能听都没听过，但它可有意思啦！
比如说吧，我有一次在家做巧克力。
我把巧克力隔水融化，然后就发现这巧克力浆怎么这么神奇呢！刚开始它是一坨 solid 的巧克力，硬邦邦的，可一旦受热融化后，就变得像液体一样，可以流动啦。
我试着搅拌它，嘿，它就顺着我的搅拌方向慢悠悠地动起来，有点像那种很浓稠的胶水在缓缓流动。
这其实就是流变学在起作用呢！巧克力在不同的温度和状态下，它的流变性质就不同。
这就好像一个人，在不同的环境和情况下会有不同的表现。
流变学就是研究这些物质的变形和流动的。
像我们平时看到的泥巴呀，面团呀，甚至是血液，它们的流动和变形都属于流变学的研究范畴。
我还记得小时候玩泥巴，刚开始泥巴是一坨一坨的，很难捏成形，但当我们加点水，不停地揉呀揉，它就变得柔软又有韧性，可以被我们捏出各种形状了。
这就是泥巴的流变特性在我们的玩耍中体现出来啦。
再说说面团吧，揉面的时候你就能明显感觉到它在你手下的变化。
从最开始的干巴巴，到慢慢变得湿润、柔软有弹性，这都是流变学的有趣之处呀。
还有血液在我们身体里流动，也是有它特定的规律和性质的。
总之，流变学虽然听起来很专业很高深，但其实就在我们的生活中无处不在呢。
它就像是一个隐藏在幕后的小魔法师，偷偷地影响着我们身边各种物质的行为和表现。
下次当你融化巧克力、揉面团或者看到任何物质在流动变形的时候，就可以想想，嘿，这里面可有着流变学的奥秘哟！怎么样，是不是突然觉得流变学也没那么遥不可及啦？哈哈！。
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影响熔体挤出破裂行为的因素
影响聚合物熔体挤出破裂的行为大致可分为三类： 一是口模的形状和尺寸；
口模的入口角对LDPE型流体的挤出破裂行为影响很大， 当入口区为平口型时，挤出破裂严重，而适当将入口 角减小，变为喇叭口型时，挤出物外观有明显改善， 发生熔体破裂的临界剪切速率（或切应力）提高。
口模的定型长度L
轻熔体破裂的程度。降低挤出速度、升高挤出
温度是典型的例子。 工厂中解决熔体破裂的快速补救办法
三是挤出物料的性质 材料的平均分子量增大，导致松弛时间延长，容易 发生熔体破裂。而平均分子量相等的条件下，分子 量分布较宽的材料的挤出行为较好，发生熔体破裂 的临界剪切速率较高。 填料的作用，无论是填加填充补强剂还是软化增塑 剂，都有减轻熔体破裂程度的作用。
而无法精确估计。
壁滑，挤出畸变，熔体破裂的联系及新认识
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7.6.2 管壁滑移现象 管壁无滑移假定 管壁滑移现象
管壁滑移现象多发生在高剪切、低粘附的管道边界状
态中。 管壁滑移现象作为一种特殊的熔体流动不稳定性行为， 一方面破坏了我们以往在进行流场分析时约定的边界 条件，另一方面它也必然对高分子材料加工行为带来
影响，而且这种影响可能因为管壁滑移速度很难测量
对熔体破裂行为也有明显影响。
对于LDPE型流体，已知造成熔体破裂的根源在于入 口区的扰动，这种扰动会因聚合物材料的松弛行为而 减轻，因而L越长，松弛越多，破裂程度就越轻。 对于HDPE型流体，熔体破裂的原因在于模壁处的应
力集中，因而L越长，挤出物外观反而不好。
二是挤出工艺条件 凡是能导致材料松弛时间缩短的因素，应能减
加工过程中熔体流动的不稳定性：熔体破裂 现象、拉伸过程中的拉伸共振现象及辊筒加
工过程的断裂现象等。
熔体流动不稳定性与高分子液体的弹性行为 有关，是高分子液体弹性湍流的表现。
7.6.1 熔体的挤Байду номын сангаас破裂行为
7.6.1.1 两类熔体破裂现象 挤出破裂行为可归为两类： 一类称LDPE型 另一类称HDPE型
假定
稳定的连续流动 流场中流线平行，不发生紊乱
管壁无滑移
在实际的高分子材料成型加工及流变测量中，流
场中常常出现流动不稳定的情形。许多情况下， 流场的边界条件存在一个临界值。一旦超越该临 界值，就会发生从层流到湍流、从平整到波动、 从流线稳定到流线紊乱、从管壁无滑移到有滑移
的转变，破坏了事先假定的稳定流动条件。
LDPE和HDPE型聚合物的流动曲线
HDPE型聚合物熔体的第二光滑挤出区的出现，
是一个有趣且有意义的现象。挤出成型若经过了
一段有规则畸变的压力震荡和不稳定流动之后， 提高剪切速率又会使挤出物表面光滑，这对于提 高产品质量和产率都有利。
熔体破裂现象的机理分析
低密度聚乙烯入口流谱示意图
HDPE型流体在口模附近的流线分布
涤纶真丝
腈纶 （聚丙烯腈）第二大合成纤维，主要用来代 替毛呢织品，抗虫蛀、重量轻、保暖性佳、洗后不 缩水 锦纶 （聚酰胺） 锦纶袜、尼龙绳
丙纶 （聚丙烯）原料易得
人们常用纤度来表征纤维的细度与密度，单位为”旦”， 被定义为长度为9000米的纤维的克重。普通纤维的纤 度一般为1~10旦，高支数的纤维，纤度在0.4~1旦。
支数：1克纤维所具有的长度米数。支数越高，纤维
越细。
高强度的合成纤维可用于建筑行业
在军事、航空、航天 等领域也有广泛的应用
具有特殊功能的合成纤维在能源、环保、医学 等方面的应用
纤维纺丝和薄膜吹塑均属拉伸流动过程。
拉伸流动，从流变学意义来讲，指速度方向与 速度梯度方向平行。
7.4.3 纤维纺丝的原理 常规纺丝加工方法： 熔体纺丝 熔体纺丝的拉伸比很高 尼龙、聚酯、聚烯 烃纤维 湿法纺丝 拉伸速率低、拉伸比小 粘胶纤维、聚丙烯 腈纤维 （凝固浴 coagulating bath；spinning bath 又称纺
7.5.3 注塑制品的残余应力与分子取向 残余应力（内应力）
注塑件中的残余应力可分为三类： “骤冷应力”； 构型体积应变； 因分子取向被冻结而产生的应力。 多数情况下，尤其对厚制品，总以分子取向少些为 好，因减少冻结分子取向有降低模制品“银纹”的 趋势，从而改善制品的尺寸热稳定性，使制品的力 学性能稳定。
第八章 高分子材料典型加工成型过程的 流变分析 7.3 纤维纺丝过程a 7.4 薄膜吹塑程过程
7.5 注塑过程
7.6 加工过程中熔体流动的 不稳定性1
7.5 注塑过程 成型热塑性塑料，用于制作形状复杂、尺寸精确
或带有金属或非金属嵌件的制品。
设备：柱塞式或螺杆式往复注射机，以及根据制 品要求设计的注射模具。
冻结分子取向大部分产生于保压阶段。
分子取向对高分子制品的物理、力学性能有 重要影响，主要表现在平行于取向方向和垂 直于取向方向的各向异性效应。 一般平行于取向方向的抗拉伸性能、抗冲性 能优于垂直于取向方向上的性能。
7.3 纤维纺丝过程
合成纤维的发展、种类和应用 涤纶 (聚对苯二甲酸乙二醇酯)最主要的合成纤维
3）法向应力远小于剪切应力，重力、惯性力忽略。
4）热导只在z方向进行，且熔体比热、密度、导热 系数等全部是常数。
7.5.2 充模压力分析 充模过程中，模腔内的压力降，即从浇口到熔体瞬 时前沿的压力降是十分重要的参数，一般希望该压 力越小越好，一则因减少压力梯度将减少模制品内
的冻结应力，从而提高制品的尺寸稳定性；二则可
注塑过程简介
注塑周期
一般螺杆式往复注射机的结构分三个区段： 1）塑化段
2）注射段
3）充模段 三维流动，不稳定传热、相变、 固化等，流动情况非常复杂
7.5.1 简化假定和基本方程
1）假定为不可压缩的幂律流体； 2）物料以蠕动方式充满模腔，设流速只有vr不等 于零，vz、vθ 都等于零，且径速度vr在z方向的导 数远大于在r方向的导数。
物料可纺性好。当平均分子量接近时，窄分布的
物料的最大拉伸比值大。
7.4 薄膜吹塑过程
7.4.1管形薄膜吹塑过程简介
在薄膜吹塑过程中，影响大分子取向的重要加工
变量有拉伸速率、冷却固化速率及膜管内外压力
差，它们将影响结晶聚合物的结晶度、晶体取向 和力学性质。
7.6 加工过程中熔体流动的不稳定性及壁滑现象
织浴。 制造化学纤维时，使纺丝胶体溶液经过喷丝头的细流 凝固或同时起化学变化而形成纤维的浴液。）
干法纺丝 原理复杂 聚丙烯腈系纤维和聚氯乙烯纤维
物料的可纺性及与拉伸粘度和分子参数的关系
物料的可纺性用最大拉伸比表示。
物料的表观拉伸粘度越低，最大拉伸比值越大，
其可纺性越好。
分子量太高、太低都不利于纺丝，分子量偏中的
因此降低锁模压力。 冷模注射的冷冻皮层
冷冻皮层的厚度
实际有效的流道宽度
模腔内压力降的极小值 Δpmin=f(n)μTG(n) f(n)与物料的流动性有关， μT= KC3n ，反映了物料的传热性能和流动性，
G(n)主要取决于模腔的几何参数。
减小模腔压力的措施： 提高熔体温度、提高模具温度，有利于注射。 选择凝固温度较低的物料和扩散系数较小的 物料，也有利于加工。