高分子的流变特性
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低剪切区：被剪切破坏的缠结来得及重建，缠结点密度不变，故粘 度不变 第一牛顿区
中等剪切区：缠结点被破坏的速度大于重建速度，粘度下降 假 塑性区
高剪切区：缠结点完全被破坏，来不及重建，粘度降低到最小值， 并不再变化 第二牛顿区
Explanation in View of Orientation
对胀塑性流体，n >1
n偏离1的程度越大，材料非牛顿性越强
在不同的剪切速率范围内，同一种材料的n值不是常数 通常剪切速率越大，n值越小
温度下降、分子量增大、填料量增多等，均使材料非线性
性质增强，使n下降 填入软化剂、增塑剂，则使n值增大
8.2 Viscous Flow of Polymers
Polymer Physics
高分子物理
8 Polymer Rheology
高分子的流变特性
8.0 Introduction
前言
Rheology 流变学
当高聚物熔体和溶液（简称流体）在受外 力作用时，既表现粘性流动，又表现出弹 性形变，因此称为高聚物流体的流变性或 流变行为.
流变学是研究物质流动和变形的一门科学， 涉及自然界各种流动和变形过程。
取向观点的解释
在熔体流动过程中，高分子链沿流动方向取向，粘度反 比于取向度
低剪切区：分子链构象变化慢，分子链有足够时间进行松弛，高分 子链的构象实际上没有发生变化，因此粘度没有明显变化 第一 牛顿区
弹性
粘性
8.1 Melt Flow
液体流动
Shear Flow and Viscosity
剪切流动与粘度
Shear stress
剪切应力
Shear strain
剪Βιβλιοθήκη Baidu应变
F
A
dx
dy
dx
A v+dv
F
F
v
dy
Shear rate d dv
切变速率
dt dy
Newton's law
牛顿流动定律
: Melt viscosity
液体内部反抗流动 的内摩擦力
1Pa s = 10 poise (泊)
牛顿流体的粘度仅与流体分子的结构和温度有关，与切应力和切变速率无关
Types of Melt Flow
液体流动的类型
类型
Newtonian 牛顿流体
Bingham 宾汉
Non-Newtonian 非牛顿流体
高分子的粘性流动
Characteristics and Mechanism
特点和机理
特点
粘度大 多数属假塑性流体 有弹性效应 交联高分子无粘流态
Viscosities of some common materials
Composition
Air Water Polymer latexes Olive oil 橄榄油 Glycerin 甘油 Golden Syrup 糖浆 Polymer melts Pitch 沥青 Plastics Glass
Pseudoplastic Dilatant Thixotropic
假塑性
胀塑性
触变性
曲线 公式 实例
Shear stress Shear stress Shear stress Shear stress Viscosity
屈服应力
切力变稀
切力变稠
Shear rate
Shear rate
y
小分子
沥青
高分子浓 溶液
Shear rate
Kn
n<1
高分子熔体
Shear rate
Kn
n>1 颗粒填充高
分子熔体 PVC糊
流凝性 触变性
Time
胶冻
Pseudoplastic Fluid
假塑性流体
Shear Thinning Fluid 切力变稀体
幂律方程 K n n < 1
热塑性聚合物的加工成型大多是利用其熔体的 流动性能。这种流动态也是高聚物溶液的主要 加工状态。
Rheology 流变学
流变学是研究材料流动和变形规律的一门科学
聚合物的流动，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（蚯蚓蠕动）
聚合物流变行为强烈依赖于分子结构、分子量及其分布、温度、压力、 时间、作用力的性质和大小等 绝大数高分子成型加工是粘流态下加工的，如挤出，注射，吹塑等
小分子液体的流动：分子向 “孔穴” 相继跃迁
small molecule hole
高分子熔体的流动：链段向 “孔穴” 相继跃迁 Reptation 蛇行
Flow curve
a
Kn
第一牛顿区
0零切粘度
第二牛顿区
无穷切粘度，极限粘度
假塑性区
流动曲线斜率n<1 随切变速率增加，ηa值变小 加工成型时，聚合物流体所经受的 切变速处于该范围内(100-103 s-1)
稠度系数
非牛顿指数 流动指数
a
Kn1
表观粘度
a
Shear rate dependence of shear stress and apparent viscosity of pseudoplastic fluid
Power Law
幂律方程
对牛顿型流体，n =1 对假塑性流体，n <1
对大多数高分子熔体而言， →0时近似遵
循牛顿流动定律，其粘度称零剪切粘度
流动曲线
lg lg K nlg
高分子普适流动曲线
Explanation in View of Entanglement
链缠结观点的解释
在分子热运动的作用下，缠结点处于不断的解体和重建的动态平衡 中，使整个熔体具有瞬变的空间网状结构，或称拟网状结构，粘度 正比于缠结点数目
弹性形变及其后的松驰影响制品的外观，尺寸稳定性
流变性
流动 变形
粘性， 不可逆过程，耗散能量
弹性， 可逆过程，储存能量
非线性粘弹性
Concept of Rheology 流变的概念
Rheology
流变
Deformation 形变
Flow 流动
Viscoelasticity
粘弹性
Elasticity Viscocity
Viscosity (Pa·s)
Consistency
10-5
gaseous
10-3
fluid
10-2
fluid
10-1
liquid
100
liquid
102
thick liquid
102 ~ 106 toffee ~ like
109 太妃糖 stiff
1012
glassy
1021
rigid
Flow Mechanism 流动机理
中等剪切区：缠结点被破坏的速度大于重建速度，粘度下降 假 塑性区
高剪切区：缠结点完全被破坏，来不及重建，粘度降低到最小值， 并不再变化 第二牛顿区
Explanation in View of Orientation
对胀塑性流体，n >1
n偏离1的程度越大，材料非牛顿性越强
在不同的剪切速率范围内，同一种材料的n值不是常数 通常剪切速率越大，n值越小
温度下降、分子量增大、填料量增多等，均使材料非线性
性质增强，使n下降 填入软化剂、增塑剂，则使n值增大
8.2 Viscous Flow of Polymers
Polymer Physics
高分子物理
8 Polymer Rheology
高分子的流变特性
8.0 Introduction
前言
Rheology 流变学
当高聚物熔体和溶液（简称流体）在受外 力作用时，既表现粘性流动，又表现出弹 性形变，因此称为高聚物流体的流变性或 流变行为.
流变学是研究物质流动和变形的一门科学， 涉及自然界各种流动和变形过程。
取向观点的解释
在熔体流动过程中，高分子链沿流动方向取向，粘度反 比于取向度
低剪切区：分子链构象变化慢，分子链有足够时间进行松弛，高分 子链的构象实际上没有发生变化，因此粘度没有明显变化 第一 牛顿区
弹性
粘性
8.1 Melt Flow
液体流动
Shear Flow and Viscosity
剪切流动与粘度
Shear stress
剪切应力
Shear strain
剪Βιβλιοθήκη Baidu应变
F
A
dx
dy
dx
A v+dv
F
F
v
dy
Shear rate d dv
切变速率
dt dy
Newton's law
牛顿流动定律
: Melt viscosity
液体内部反抗流动 的内摩擦力
1Pa s = 10 poise (泊)
牛顿流体的粘度仅与流体分子的结构和温度有关，与切应力和切变速率无关
Types of Melt Flow
液体流动的类型
类型
Newtonian 牛顿流体
Bingham 宾汉
Non-Newtonian 非牛顿流体
高分子的粘性流动
Characteristics and Mechanism
特点和机理
特点
粘度大 多数属假塑性流体 有弹性效应 交联高分子无粘流态
Viscosities of some common materials
Composition
Air Water Polymer latexes Olive oil 橄榄油 Glycerin 甘油 Golden Syrup 糖浆 Polymer melts Pitch 沥青 Plastics Glass
Pseudoplastic Dilatant Thixotropic
假塑性
胀塑性
触变性
曲线 公式 实例
Shear stress Shear stress Shear stress Shear stress Viscosity
屈服应力
切力变稀
切力变稠
Shear rate
Shear rate
y
小分子
沥青
高分子浓 溶液
Shear rate
Kn
n<1
高分子熔体
Shear rate
Kn
n>1 颗粒填充高
分子熔体 PVC糊
流凝性 触变性
Time
胶冻
Pseudoplastic Fluid
假塑性流体
Shear Thinning Fluid 切力变稀体
幂律方程 K n n < 1
热塑性聚合物的加工成型大多是利用其熔体的 流动性能。这种流动态也是高聚物溶液的主要 加工状态。
Rheology 流变学
流变学是研究材料流动和变形规律的一门科学
聚合物的流动，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（蚯蚓蠕动）
聚合物流变行为强烈依赖于分子结构、分子量及其分布、温度、压力、 时间、作用力的性质和大小等 绝大数高分子成型加工是粘流态下加工的，如挤出，注射，吹塑等
小分子液体的流动：分子向 “孔穴” 相继跃迁
small molecule hole
高分子熔体的流动：链段向 “孔穴” 相继跃迁 Reptation 蛇行
Flow curve
a
Kn
第一牛顿区
0零切粘度
第二牛顿区
无穷切粘度，极限粘度
假塑性区
流动曲线斜率n<1 随切变速率增加，ηa值变小 加工成型时，聚合物流体所经受的 切变速处于该范围内(100-103 s-1)
稠度系数
非牛顿指数 流动指数
a
Kn1
表观粘度
a
Shear rate dependence of shear stress and apparent viscosity of pseudoplastic fluid
Power Law
幂律方程
对牛顿型流体，n =1 对假塑性流体，n <1
对大多数高分子熔体而言， →0时近似遵
循牛顿流动定律，其粘度称零剪切粘度
流动曲线
lg lg K nlg
高分子普适流动曲线
Explanation in View of Entanglement
链缠结观点的解释
在分子热运动的作用下，缠结点处于不断的解体和重建的动态平衡 中，使整个熔体具有瞬变的空间网状结构，或称拟网状结构，粘度 正比于缠结点数目
弹性形变及其后的松驰影响制品的外观，尺寸稳定性
流变性
流动 变形
粘性， 不可逆过程，耗散能量
弹性， 可逆过程，储存能量
非线性粘弹性
Concept of Rheology 流变的概念
Rheology
流变
Deformation 形变
Flow 流动
Viscoelasticity
粘弹性
Elasticity Viscocity
Viscosity (Pa·s)
Consistency
10-5
gaseous
10-3
fluid
10-2
fluid
10-1
liquid
100
liquid
102
thick liquid
102 ~ 106 toffee ~ like
109 太妃糖 stiff
1012
glassy
1021
rigid
Flow Mechanism 流动机理