高分子材料流变学
高分子流变学
材料科学与化学工程学院
Zimm model
Zimm模型描述聚合物链运动的数学模型： 在溶剂中，聚合物链是以一个半径为 R、且扩张体积中包含 溶剂的线团作为整体进行运动的，其摩擦力为： ζz ≈ ηz R 由Einstein公式可得Zimm链的扩散系数为 Dz = k T / ζz Stokes定律来确定其关系式： ζz= 6πηR(球的体积影响) 根据聚合物链均方末端距的普适表达式R=b Nv，可将Zimm链的 松弛时间改写为： R=b N0.6 τ z = R2/ Dz = R2 ζz / k T =6πη R3 / k T = 6πηb 3N1.8 / k T Zimm链的扩散系数为 Dz = k T / ζz = k T / 6πηb N0.6 η= G（ τ ） τ z =(k T / N V0 ) 6πηb 3N1.8 / k T = 6πηb 3N0.8 / V0
流动 流体
粘性
耗散能 量
产生永 久变形
时间过 程
牛顿定 律
根据经典流体力学理论，不可压缩理想流体的流动为纯粘 性流动，在很小的剪切应力作用下流动立即发生，外力释 去后，流动立即停止，但粘性形变不可恢复。切变速率不 大时，切应力与切边速率呈线性关系，遵循牛顿粘性定律 ，且应力与应变本身无关。
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变形
固体
弹性
储存能 量
变形可 以恢复
瞬时响 应
虎克定 律
根据经典固体力学理论，在极限应力范围内，各向同 性的理想弹性固体的形变为瞬时间发生的可逆形变。 应力与应变呈线性关系，服从胡克弹性定律，且应力 与应变速率无关。
牛顿流体与胡克弹性体是两类性质被简化的抽象物体
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高分子材料流变学
高分子科学与工程学院
青岛科技大学
2．2．2 计算高分子液体黏度的经验方程
Ostwald-de Wale幂律方程（power law） 幂律公式
K n
n 1 a K
流动指数或非牛顿指数
n d ln d ln
图8-15 几种聚合物熔体剪切应力与剪切速率的关系 （测试温度200℃）
第4章 剪切黏度的测量方法 4．1 毛细管流变仪测量表观剪切黏度 4．2 恒速式双毛细管流变仪简介 4．3 锥－板型转子流变仪简介 4．4 落球式黏度计的测量原理 第5章 高分子熔体流动不稳定性 5．1 挤出过程中的畸变和熔体破裂行为 5．2 纺丝成型过程中的拉伸共振现象 第6章 加工成型过程的流变分析 6.1压延工艺的流变分析 6.2挤出成型的流变分析 6.3 注射成型的流变分析
聚合物
聚丙烯
聚合物 天然橡胶 低压聚乙烯 聚氯乙烯 聚苯乙烯
流动温度/℃
126-160 170-200 165-190 ～170
流动温度/℃
200-220 190-250 250-270 170-190
聚甲基丙烯酸甲 酯
尼龙66 聚甲醛
流动机理 研究表明，黏流态下大分子流动的基本结构单元并不是分子整链，而是链 段，分子整链的运动是通过链段的相继运动实现的。 研究高分子黏流活化能时发现，当熔体分子量很低时，随分子量增大而增 大。分子量达到一定值后，值趋于恒定。与该恒定值对应的最低分子量相 当于由20-30个C原子组成的链段的大小，说明熔体流动的基本结构单元 是链段。
青岛科技大学
高分子材料流变学
Rheology of Polymer Materials
王新 杨文君
Qingdao University of Science and Technology Qingdao，2011
高分子材料的流变性能研究
高分子材料的流变性能研究高分子材料是一类由大量重复单元构成的大分子化合物，具有广泛的应用领域。
在实际应用中，高分子材料的流变性能研究对于了解其内在特性、优化工艺以及预测材料在不同工况下的表现至关重要。
本文将以高分子材料的流变性能研究为主题，探讨流变性能的定义、测试方法以及研究意义。
首先，我们来了解什么是高分子材料的流变性能。
流变学是研究物质在外力作用下变形和流动行为的学科。
高分子材料的流变性能即指其在外力作用下的变形和流动行为特性。
高分子材料的流变性能与其分子结构、链长、分子量分布、交联程度等因素密切相关，直接影响材料的物理力学性能和加工工艺。
在研究高分子材料的流变性能时，重要的一步是选择合适的测试方法。
目前常用的高分子材料流变性能测试方法包括旋转流变仪、拉伸流变仪、压缩流变仪等。
旋转流变仪主要用于测量高分子材料的剪切流变性能，通过在不同剪切速率下测量应力和应变的关系，以了解材料的粘弹性、塑性和黏弹性等特性。
拉伸流变仪则主要用于测量高分子材料的拉伸性能，通过施加不同的拉伸速率和应力，研究材料的应变和应力关系。
压缩流变仪则可在承受压力情况下，研究高分子材料的压缩变形特性。
通过上述测试方法，我们可以获得高分子材料的流变性能数据。
这些数据对于了解材料的变形行为、判断材料的应用性能以及指导材料的设计和制备具有重要意义。
从流变性能数据中，可以获得高分子材料的流变学参数，如剪切模量、拉伸模量、弹性模量、黏滞系数等。
这些参数反映了材料的力学性能、变形能力和变形时间。
通过分析这些参数值的变化趋势，可以评估材料的物理力学性能以及材料在不同应用条件下的性能稳定性。
高分子材料的流变性能研究具有广泛的应用领域，例如在工程塑料的开发中，了解材料在高温、高压下的流变行为，有助于判断材料在实际应用中的性能表现。
在医疗领域，研究生物材料的流变性能，可以为医疗器械的设计和材料选择提供依据。
在涂料和胶粘剂行业，通过研究材料的流变性能，可以优化涂料的施工性能和胶粘剂的黏附力。
高分子材料流变学教学
高分子材料流变学教学引言高分子材料流变学是研究高分子材料在外力作用下的变形和流动行为的学科，对于合理设计高分子材料的工艺参数、提高高分子材料的加工性能具有重要意义。
本文将介绍高分子材料流变学教学的内容、教学方法和案例分析，以帮助学生深入了解该学科的基本概念和实际应用。
教学内容高分子材料流变学教学主要包括以下内容：1.高分子材料的力学性能：介绍高分子材料的弹性、塑性和黏弹性等力学性能，以及与这些性能相关的工艺因素和材料结构的关系。
2.流变学基本概念：介绍高分子材料流变学的基本概念，包括应力、应变、应变速率、粘度、屈服应变等，以及流变学中常用的测试方法和仪器。
3.流变学模型与实验数据处理：介绍高分子材料流变学的常用模型，如弹性模型、粘弹性模型和塑性流变模型，并探讨如何利用实验数据对模型进行参数拟合和分析。
4.高分子材料加工和应用：介绍高分子材料在不同加工条件下的流变行为，如挤出、注塑和拉伸等，以及高分子材料的应用领域，如塑料制品、橡胶制品和复合材料等。
教学方法高分子材料流变学教学可以采用以下方法：1.理论讲解：通过教师的讲解，介绍高分子材料流变学的基本概念和理论知识，帮助学生建立起对该学科的整体认识和框架。
2.实验操作：通过实验操作，让学生亲自进行流变学测试，并学习如何操作流变仪器和处理实验数据，加深对流变学知识的理解和应用。
3.讨论和案例分析：通过讨论和案例分析，引导学生分析和解决实际问题，培养学生的独立思考和问题解决能力。
4.专业实习：安排学生到工业企业或科研机构进行实习，让学生实践所学的流变学知识，并了解高分子材料流变学在实际工作中的应用。
案例分析下面以挤出加工为例进行案例分析：挤出是一种常用的高分子材料加工方法，通过挤出机将高分子材料加热融化后，通过模具挤出成型。
在挤出过程中，高分子材料会受到剪切力和压力的作用，因此流变学的知识对于优化挤出工艺和提高产品质量具有重要影响。
在案例中，学生需要分析挤出过程中高分子材料的流变行为，并根据实验数据对材料流变模型进行拟合和参数分析。
高分子流变学基本概念课件
高分子流体的粘弹性
弹性
高分子流体在受到外力作用时发生的形变能够部分恢复。
粘性
高分子流体在受到外力作用时产生的剪切应力。
粘弹性
高分子流体同时具有弹性和粘性，其流变行为受温度、应力和分 子结构的影响。
高分子流体的流动行为
层流与湍流
高分子流体在管中流动时，层流 状态下剪切速率与距离成线性关 系，湍流状态下剪切速率与距离 成非线性关系。
高分子流变学基本概 念课件
目录
CONTENTS
• 高分子流变学简介 • 高分子流体的基本性质 • 高分子流变学的基本理论 • 高分子流变学在工业中的应用 • 高分子流变学的未来发展
01 高分子流变学简介
高分子流变学的定义
总结词
高分子流变学是一门研究高分子材料 流动和变形的学科。
详细描述
高分子流变学主要研究高分子材料在 受到外力作用时发生的流动和变形行 为，以及流动和变形过程中涉及的物 理、化学和力学等现象。
流动曲线
描述剪切速率与剪切应力之间关 系的曲线，分为牛顿区、屈服点 和粘弹性区域。
流动不稳定性
高分子流体在流动过程中可能出 现的各种不稳定性现象，如拉伸 流动、漩涡脱落等。
03 高分子流变学的基本理论
唯象理 论
唯象理论是从宏观角度研究高分子流体的行为，通过实验观察和经验公式 来描述高分子流体的流变性质。
高分子流变学的跨学科研究
01
与物理学的交叉
研究高分子流体的热力学性质和 流动行为，探索高分子链的动力 学过程。
02
与化学的交叉
03
与工程的交叉
研究高分子材料的合成和改性， 探索高分子链的化学结构和反应 机理。
将高分子流变学的理论应用于实 际生产过程中，解决工程实际问 题。
高分子流变学
第一章 绪 论1． 流变学概念流变学——研究材料流动及变形规律的科学。
高分子材料流变学——研究高分子液体，主要指高分子熔体、高分子溶液，在流动状态下的非线性粘弹行为，以及这种行为与材料结构及其它物理、化学性质的关系。
图1-1 液体流动与固体变形的一般性对比Newton’s 流动定律 γησ 0= 牛顿流体 H ooke’s 弹性定律 εσE = 虎克弹性体实际材料往往表现出远为复杂的力学性质。
如沥青、粘土、橡胶、石油、蛋清、血浆、食品、化工原材料、泥石流、地壳，尤其是形形色色高分子材料和制品，它们既能流动，又能变形；既有粘性，又有弹性；变形中会发生粘性损耗，流动时又有弹性记忆效应，粘弹性结合，流变性并存。
对于这类材料，仅用牛顿流动定律或虎克弹性定律已无法全面描述其复杂力学响应规律，必须发展一门新学科——流变学对其进行研究。
流变性实质——“固-液两相性”，“粘弹性”并存。
这种粘弹性不是小变形下的线性粘弹性，而是材料在大变形、长时间应力作用下呈现的非线性粘弹行为。
流动与变形又是两个紧密相关的概念。
在时间长河中，万物皆流，万物皆变。
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者观察时间的不同。
按地质年代计算，坚硬的地壳也在流动，地质学中著名的“板块理论”揭示了亿万年来地球大陆板块的变化和运动。
另一方面，如果以极快的速度瞬间打击某种液体时，甚至连水都表现了一定的“反弹性”。
1928年，美国物理化学家E.C.Bingham正式命名“流变学（rheology）”，字头取古希腊哲学家Heraclitus所说的“ ”，意即万物皆流。
1929年成立流变学会，创办流变学报（Journal of Rheology），一般将此认为流变学诞生日。
流变学是一门涉及多学科交叉的边缘科学。
高分子材料流变学的研究内容与高分子物理学、高分子化学、高分子材料加工原理、高分子材料工程、连续体力学、非线性传热理论等联系密切；其研究对象的力学、热学性质相当复杂。
高分子材料加工流变学
1. 流变学属于什么领域及由什么内容形成？领域:介于力学, 化学和工程科学之间的边缘科学.形成内容:构成.塑性.弹性.粘流.变形2. 伽利略：提出“内聚粘性” ；胡克：研究弹性固体，提出了应力——应变的关系；牛顿：研究粘性液体，提出了流体应力——切变速率的关系；宾汉：发现了“宾汉流体” ，命名了“流变学”；门尼：发明了门尼粘度计，改善了橡胶质量控制手段；泊肃叶：提出了泊肃叶方程，表示了粘性流体沿水平放置的圆形管道做层流时的流量，可用来计算粘性损耗，测量流体的粘度。
4. 流变学的研究内容：借助高分子物理和加工理论解释材料在应力作用下各种力学行为与各因素之间的关系，解决高分子材料应用工程的问题。
5. 影响聚合物加工性能的流变性质？断裂特性；粘度（流动性的量度）；弹性记忆效应（挤出膨胀）。
6. 学习聚合物加工流变学的意义。
a.对进一步合成加工性能优良的高聚物有指导意义；b对合理选择加工工艺和配方设计有重要意义；c.对合理设计加工机械，正确使用机械，创新加工机械十分重要。
1. 聚合物加工过程的应力有哪三种类型？在其作用下各产生什么流动？答：A剪切应力（T ）:产生剪切流动，如挤出机口模注塑机流道炼塑（胶）机辊间。
B 拉伸应力（d ）:产生拉伸流动，如薄膜电线包覆。
流体表压力（P）:产生压力流（泊肃叶流动）如两平面间缝隙、圆管中的泊肃叶流动。
2. 聚合物流动的主要特点？答A 流动机理的分段流动；低分子:整个分子移动（跃动）T实现流动；动T实现流动。
B粘度大，流动困难，不是一个常数。
C 流动时有构象变化，性记忆效应” ，加工过程中聚合物流动性质主要表现为粘度变化，粘度（及变化）是聚合物加工过程中重要的参数。
4.为何聚合物流动时会产生弹性记忆效应？答:聚合物卷曲的分子链在外力作用下，产生流变，并产生分子链相对位移以及高弹形变（链舒展、构象变化）。
由于聚合物在流变过程中，不仅有真实的流动（塑性形变），还伴随非真实流动（高弹形变），外力除去T回缩T“弹性记忆”（如挤出后会有膨胀收缩现象）。
高分子材料流变学
高分子材料流变学【名词解释】1.假塑性流体：黏度随剪切速率的增加而降低的流体，粘度与剪切应力之间的关系服从幂律定律，其中，非牛顿指数n<12.膨胀性流体:黏度随剪切速率的增加而升高的流体，粘度与剪切应力之间的关系服从幂律定律，其中非牛顿指数n>13.宾汉流体:指当所受的剪切应力超过临界剪切应力后，才能变形的流动的流体，亦称塑性流体，其中剪切应力与剪切速率服从τ=τy+ηpγ4.牛顿流体:剪切应力与剪切速率之间呈线性关系，表达式为τ=μγ的流体5.剪切变稀：粘度随剪切速率升高而降低6.爬杆效应：当金属杆在盛有高分子流体的容器中旋转，熔体沿杆上爬的现象7.挤出胀大：聚合物熔体挤出圆形截面的毛细管时，挤出物的直径大于毛细管模直径8.熔体破裂：聚合物熔体在毛细管中流动时，当剪切速率较高时，聚合物表面出现不规则的现象，如竹节状，鲨鱼皮状9.无管虹吸：当插入聚合物溶液中的玻璃管，提离液面之上时，聚合物溶液继续沿玻璃管流出的现象10.第一法向应力差：高聚物熔体流动时，由于弹性行为，受剪切的作用时，产生法向应力差，其中满足关系式N1=τ11?τ22=φ1?γ 212(N1通常为正值)11.第二法向应力差：同上，关系式为N2=τ22?τ33=φ2?γ 212 (N2通常为负值)12.本构方程：是一类联系应力张量和应变张量或应变速率张量之间的关系方程，而联系的系数通常是材料的常数。
13.剪切应力：单位面积上的剪切力，τ=FA14.剪切速率：流体以一定速度沿剪切力方向移动。
在黏性阻力和固定壁面阻力的作用力，使相邻液层之间出现速度差,γ=d vdy 也可理解成一定间距的液层，在一定时间内的相对移动距离。
15．高分子流变学：研究高分子液体，主要是指高分子熔体干分子溶液在流动状态下的非线性粘弹性行为。
以及这种行为与材料结构及其他物理化学的关系。
16．出膨胀现象：高分子熔体被迫基础口模时，挤出物尺寸大于口模尺寸截面积形象黄也发生变化的现象【简答题】1.常用的聚合物流变仪有：毛细管型流变仪、转子型流变仪、组合式转矩流变仪、振荡型流变仪、落球式黏度计、其他类型流变仪（拉伸流变仪、缝模流变仪和弯管流变仪等）2.流变测量的目的：（1）物料的流变学表征。
高分子材料流变学
【名词解释】1.假塑性流体：黏度随剪切速率的增加而降低的流体，粘度与剪切应力之间的关系服从幂律定律，其中，非牛顿指数n<12.膨胀性流体:黏度随剪切速率的增加而升高的流体，粘度与剪切应力之间的关系服从幂律定律，其中非牛顿指数n>13.宾汉流体:指当所受的剪切应力超过临界剪切应力后，才能变形的流动的流体，亦称塑性流体，其中剪切应力与剪切速率服从τ=τy+ηpγ4.牛顿流体:剪切应力与剪切速率之间呈线性关系，表达式为τ=μγ的流体5.剪切变稀：粘度随剪切速率升高而降低6.爬杆效应：当金属杆在盛有高分子流体的容器中旋转，熔体沿杆上爬的现象7.挤出胀大：聚合物熔体挤出圆形截面的毛细管时，挤出物的直径大于毛细管模直径8.熔体破裂：聚合物熔体在毛细管中流动时，当剪切速率较高时，聚合物表面出现不规则的现象，如竹节状，鲨鱼皮状9.无管虹吸：当插入聚合物溶液中的玻璃管，提离液面之上时，聚合物溶液继续沿玻璃管流出的现象10.第一法向应力差：高聚物熔体流动时，由于弹性行为，受剪切的作用时，产生法向应力差，其中满足关系式N1=τ11−τ22=φ1∗γ 212(N1通常为正值)11.第二法向应力差：同上，关系式为N2=τ22−τ33=φ2∗γ 212 (N2通常为负值)12.本构方程：是一类联系应力张量和应变张量或应变速率张量之间的关系方程，而联系的系数通常是材料的常数。
13.剪切应力：单位面积上的剪切力，τ=FA14.剪切速率：流体以一定速度沿剪切力方向移动。
在黏性阻力和固定壁面阻力的作用力，使相邻液层之间出现速度差,γ=d vdy 也可理解成一定间距的液层，在一定时间内的相对移动距离。
15．高分子流变学：研究高分子液体，主要是指高分子熔体干分子溶液在流动状态下的非线性粘弹性行为。
以及这种行为与材料结构及其他物理化学的关系。
16．出膨胀现象：高分子熔体被迫基础口模时，挤出物尺寸大于口模尺寸截面积形象黄也发生变化的现象【简答题】1.常用的聚合物流变仪有：毛细管型流变仪、转子型流变仪、组合式转矩流变仪、振荡型流变仪、落球式黏度计、其他类型流变仪（拉伸流变仪、缝模流变仪和弯管流变仪等）2.流变测量的目的：（1）物料的流变学表征。
高分子材料流变学
高分子材料流变学高分子材料是一类大分子化合物，在工业、生活中广泛应用，如聚乙烯、聚氨酯、聚酰胺等。
高分子材料在流变学中具有独特的物理性质。
流变学是研究物质内部变形的学科，它揭示了物质在受力作用下的变形规律，包括粘弹性、塑性、弹性等性质。
高分子材料的流变学研究对于了解其本质、设计新材料以及控制加工过程具有重要意义。
高分子材料的流变学行为主要有以下几个特点：1. 高分子材料具有非牛顿性质。
牛顿性质是指流体的应力与应变率成比例。
高分子材料在流变学中的非牛顿性表现为其应力-应变率曲线不是一条直线，而是弯曲的曲线，即呈现出剪切黏度的变化。
2. 高分子材料具有黏弹性。
在受力加速度作用下，高分子材料既具有黏度，同时又具有弹性。
这种黏弹性特征表现为高分子材料在受力后能够保持一定时间的形状，而不会立即回复到原始形状。
3. 高分子材料具有稀溶液的行为。
高分子材料最为常见的形态是稀溶液。
由于高分子材料的分子量较大，其在溶液中的浓度很低。
此时，高分子材料能够表现出溶液的流变学性质。
4. 高分子材料的流变行为受温度、负荷历史和加速度作用等因素的影响较大。
当温度增大时，高分子材料的流变性质将发生变化。
不同的负荷历史将导致高分子材料的流变性质发生变化，这对高分子材料加工、使用过程中的性能具有显著影响。
在受到不同加速度作用的情况下，高分子材料的流变性质也将发生变化。
5. 高分子材料的流变学行为与形状和尺寸等参数有关。
高分子材料在流变学中的行为与其形状和尺寸等参数密切相关。
例如，高分子材料在不同形状或尺寸下的加工性能和使用性能存在差异。
因此，高分子材料的流变学研究对于设计新材料、控制加工过程和改善使用性能具有重要意义。
目前，流变学技术在高分子材料的研究、开发和应用中得到了广泛的应用。
例如，在高分子材料的合成、加工、改性等方面，流变学技术能够提供有用的表征和信息。
在高分子材料的应用领域，流变学技术能够帮助改进产品性能和生产效率。
高分子流变学
一、名词解释1. 本构方程:又称状态方程,描述应力分量与形变分量或形变速率分量之间关系的方程,是描述一大类材料所遵循的与材料结构属性相关的力学响应规律的方程. 反映流变过程中材料本身的结构特性。
2. 等粘度原则:两相高分子熔体或溶液粘度相近,易混合均匀。
3. 近似润滑假定:把原来物料在x—y平面的二维流动,在一段流道内简化成为只沿x方向的一维流动,这种简化假定称为~。
4. 剪切变稀:相同温度下,高分子液体,在流动过程中粘度随剪切速率增大而降低的现象。
5. 表观剪切黏度:表观粘度η a定义流动曲线上某一点τ与γ的比值6. Banis效应:又称口型膨胀效应或挤出胀大现象,是指高分子熔体被迫挤出口模时,挤出物尺寸d大于口模尺寸D,截面形状也发生变化的现象。
7. 粘流活化能:E定义为分子链流动时用于克服分子间位垒跃迁到临近空穴所需要的最小能量,它表征粘度对温度的依赖性,E越大,粘度对温度的依赖性越强,温度升高,其粘度下降得越多。
8. 法向应力差:两个法向应力分量差值在各种分解中始终保持不变,定义法向应力差函数来描写材料弹性形变行为。
9. 零切黏度:剪切速率接近于0时,非牛顿流体对应的粘度值。
10. 表观粘度:流动曲线上某点与原点连线的斜率11. 弯流误差: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,会因法向应力差效应而产生差异。
12. 拉伸粘度:聚合物在拉伸过程中拉伸方向的总的法向应力与拉伸速率的比值。
13. 第二牛顿区;假塑性流体在当前剪切速率很高时,剪切粘度会趋于一个定值,而这一剪切区域称为假塑性流体的第二牛顿区。
14. 触变性:等温条件下,某些液体流动粘度随外力作用时间长短发生变化的性质,其中粘度变小为触变性。
15. Tf:黏流温度,高分子高弹态与粘流态之间转变的温度,大分子链产生重心位移的整链相对运动。
16. Tg:玻璃化温度,分子链段运动,解除冻结的温度,形变可以恢复。
17. 爬杆现象、weissenberg效应、包轴现象:高分子液体在用圆棒搅动时环绕在旋转木棒附近并沿棒向上爬的现象。
高分子材料加工流变学
黏流活化能
黏流活化能影响因素 ✓ 分子链的柔顺性 ✓ 分子链的极性 ✓ 取代基的大小 ✓ 相对分子量分布 ✓ 剪切速率、剪切应力 ✓ 温度 ✓ 补强剂
黏流活化能
✓ 粘流活化能的测定 ✓ 一些高分子化合物黏流活化能举例
高分子化合 物
NR IR CR SBR NBR
Eη， kJ/mol
1.05 1.05 5.63 13.0 23.0
通过加热使玻璃态的高聚物变为黏流态。 2.流动成型
通过高压使熔体流动并通过模具成型 3.冷却固化
通过冷却使熔体固化成玻璃态并定型
第三节 高分子熔体的黏性流动与弹性
高分子材料加工过程的特点 1.使用高分子材料的黏流态进行流动变形加工 2.加工温度低 3.加工容易 以上特点决定高分子材料的应用非常广泛
牛顿流体
关于黏度的讨论 1）物理意义：促使流体产生单位速度梯度的剪
切力 2）黏度的影响因素 ➢ 流体本身的性质：如流体的结构、组成等 ➢ 温度：温度上升导致黏度下降 ➢ 压顿液体的流动
根据流体的流变方程式或流变曲线图，可将非牛顿型流体分类
例：吹塑薄膜的生产；双向拉伸薄膜的生产
一、拉伸流动与拉伸黏度
拉伸流动的数学描述 1.牛顿流体
λ=σ/ε σ=λ ε λ：拉伸黏度 σ：拉伸应力 ε：拉伸应变
一、拉伸流动与拉伸黏度
拉伸流动的数学描述 2.非牛顿流体 ✓ 低拉伸速率时，高分子材料熔体的拉伸流动行
为符合牛顿流体的拉伸流动公式 ✓ 高拉伸速率时，高分子材料熔体的拉伸流动行
涨塑性流体的数学描述-指数定律
（2）涨塑性（膨胀性）流体
涨塑性流体流变行为的解释
（2）涨塑性（膨胀性）流体
涨塑性流体流变行为的解释
高分子流变学基础
高分子材料流变学
第二章基本物理量和高分子液体的 基本液变性质
1
1.引言
高分子液体流动时所表现的粘弹性，与通常所说 的理想固体的弹性和理想液体的粘性大不相同， 也不是二者的简单组合。
Hook 定律
E Gy (2 1)
Newton 粘性定律
高分子材料流变学 第二章基本物理量和高分子液体的 基本液变性质 7
2.基本物理量
2.1.1 牵引力和应力张量 首先考察流变过程中物体内 一点P 的应力。 在物体内取一小封闭曲面S， 令P 点位于曲面S 外表面的 面元δ S 上（法线为n，指 向S曲面外部），考察封闭 曲面S 外的物质通过面元 δ S 对曲面 S内物质的作用 力。
T11 T12
T13 n1
t 2 T21 T22 T23 n2 T31 T32 T33 n 3
11
高分子材料流变学
第二章基本物理量和高分子液体的 基本液变性质
2.基本物理量
或者简单地
t1 t3
n1 (i, j 1,2.3) n3
t 2 (Tij ) n2
高分子材料流变学
第二章基本物理量和高分子液体的 基本液变性质
高分子液体是粘弹性流体，在剪切场中既有粘性 流动，又有弹性形变，一般情况下三个坐标轴方 向的法向应力分量Tij不相等，T11≠T22 ≠T33 ≠0
高分子材料流变学
第二章基本物理量和高分子液体的 基本液变性质
24
2.基本物理量
同一个应力张量分解方法有多种结果,给出两种不同 的分解方法的例子 。
高分子材料流变学 第二章基本物理量和高分子液体的 基本液变性质 14
2.基本物理量
高分子材料中的分子流变性能研究
高分子材料中的分子流变性能研究随着科技的不断发展，高分子材料在生产和应用中扮演着越来越重要的角色。
高分子材料具有重量轻、机械强度高、耐热性能好等特点，被广泛地应用于电子、汽车、航空、医药等领域。
然而，高分子材料的复杂性和多样性在使用过程中也会带来很多不确定因素。
分子流变学作为一门研究高分子材料流变性能的学科，为有效预测材料的性能提供了重要的依据。
一、什么是高分子材料的分子流变学？分子流变学是研究高分子材料在变形和形变过程中的流动行为的学科。
它探讨材料在外力作用下的流变特性，如粘度、流变速率、流变应力等。
通过对这些性质的研究，我们可以更好地了解材料的机械强度、耐热性、可加工性等方面的综合性能。
高分子材料的分子流变性质与其分子结构密切相关。
显示高分子材料中的分子链与有机分子空间结构的不同，可以产生不同的物理、化学性能。
在应用中，高分子材料需要承受的载荷、颠簸、运动等外部环境因素的影响，会导致其分子间的结构变化，从而影响材料的性能。
二、高分子材料的流变学研究方法1. 旋转式流变仪流变仪是分子流变学的一个基本工具。
旋转式流变仪是一种常用的仪器，用于研究高分子材料的力学特性。
这种流变仪通过将外部力施加于材料上，对高分子材料产生剪切应力，从而探究其在剪切应力下的流动行为。
2. 差式扫描量热仪差式扫描量热仪是一种同时具有热分析和流变学特性的仪器。
它通过利用体系温度和相变等信息，研究材料的热学、结构、动力学等特性。
3. 动态力学模拟系统动态力学模拟系统可以模拟材料在外部环境中的运动及变形。
它通过计算分子间力的大小及其变化规律，对材料的变形行为进行研究。
三、高分子材料分子流变性能的应用1. 高分子材料的力学特性力学特性是高分子材料中最为重要的性能之一。
分子流变学通过研究材料的流变特性，可以预测材料的力学性能，如拉伸强度、弹性模量、塑性应变和断裂伸长率等。
2. 高分子材料的加工性高分子材料的加工过程需要满足材料的流动要求，从而得到理想的成型效果。
高分子流变学基本概念课件
高分子流变学在塑料、橡胶、涂料等工业生产中具有重要的应用价 值，可以提高产品质量和降低能耗。
生物医学
高分子流变学在生物医学领域的应用逐渐增多，如药物载体、组织 工程等，有助于推动医学研究和治疗技术的发展。
新能源领域
高分子流变学在太阳能、风能等新能源领域具有潜在的应用价值，有 助于提高能源利用效率和降低环境污染。
高分子流变学基本 概念课件
目 录
• 高分子流变学简介 • 高分子流体的基本性质 • 高分子流变学的基本理论 • 高分子流变学在工业中的应用 • 总结与展望
01
高分子流变学简介
高分子流变学的定义
01
高分子流变学是一门研究高分子 材料流动和变形的学科，主要关 注高分子材料在应力、温度、时 间等作用下的形变和流动行为。
绿色环保
发展环境友好型的高分子流变学材料和制备技术，降低对环境的 负面影响。
高分子流变学的挑战与机遇
挑战
高分子流变学研究面临实验难度 大、理论模型不完善等挑战，需 要加强基础研究和实验验证。
机遇
随着科技的不断进步和应用需求 的增加，高分子流变学将迎来更 多的发展机遇和空间。
高分子流变学的应用前景
02
它涉及到高分子物理、化学、力 学等多个领域，是高分子科学的 一个重要分支。
高分子流变学的研究内容
01
高分子流体的基本流变性质
研究高分子流体的剪切粘度、拉伸粘度、弹性等基本流变性质，以及这
些性质与高分子链结构、分子量、温度等因素的关系。
02 03
高分子加工成型过程中的流变行为
研究高分子材料在加工成型过程中的流变行为，如塑料挤出、注射成型、 压延等过程中的流动和变形，以及这些过程对高分子材料结构和性能的 影响。
高分子流变学复习
泊松比（Poisson ratio）由材料性质决定的 ，表示侧边变形的大小。
在拉伸实验中，定义：侧边的分数减量，也与应力成正比，在流变学中使用泊松比
在各向同性压缩实验中，材料的应变应为其体积的变化分数△V/V。所加应力用压力 P来表示，则：
P＝－K△V/V0
K为弹性常数，称为体积模量（Bulk modulus）
对非线性弹性是一个突破，它使我们不需作任何关于应力应变关系的假定而能得到非线性弹性的应力应变关系。当然这一理论比线弹性理论复杂得多。
只有部分交联的聚合物在高于Tg时才会发生较大的弹性形变（可恢复的变形）。当然交联不一定是指化学上的交联（如橡胶的硫化），也包括大分子间由于其他原因而紧密地结合在一起的情况，如嵌段共聚物在温度介于共聚物组成中两个聚合物的Tg之间时 。
对于理想高弹体来说，其弹性是熵弹性，形变时回缩力仅仅由体系内部熵的变化引起，因此有可能用统计方法计算体系熵的变化，进而推导出宏观的应力应变关系 。
02
橡胶弹性的分子理论成功地解释了许多实验现象。但由于在推导过程中作了许多假设，有些实验结果与理论结果并不一致。
03
橡胶弹性的统计理论
下图表示部分交联的高聚物，图中A，B，C，D…等为交联点，而在交联点之间的链段BC，CH等，我们称之为网链（Network-chain）。 在一般的硫化橡胶中，网链大约由50到100个重复链节组成，天然橡胶的分子大约由1000～2000个链节组成，因此一个分子中的网链数大约为10—40个，通常我们用单位体积聚合物中网链的数目来表示交联的程度，用Ni表示；此外也可以用网链的数均分子量Mc表示交联程度。
橡胶是轻度交联的聚合物，其流变行为可以用非线性弹性（也称为橡胶弹性）这一数学模式来描述。
高分子流变学
高分子流变学高分子流变学是指以有机分子结构体系为基础，研究物质在各种条件下的流变行为的学科，它是力学与物理化学交叉学科，是研究高分子材料性能、强度性能及用途等方面技术问题的重要方向。
它研究的主要内容是：物质在受到外力作用时，在外力的作用下，形状发生改变并失去原有的力状态，或者外力的增大把物质分解成其它物质的研究。
高分子流变学可以分为两大类：一类是力学流变学，即以力学方法研究物质在受力作用下的变形、强度、耗散等各种现象及物质整体结构及其变化的学科；另一类是物理化学流变学，即以物理化学方法研究物质分子结构及其相互作用力对物质整体性能的影响，包括表面力学性质、黏度、热塑性等性质的研究。
一般来说，高分子流变学的研究范围包括：（1）各种高分子材料的流变性能：物质受力作用时的变形、强度及损耗等；（2）各种高分子复合体的流变性能：混合材料及其构造对流变性能的影响；（3）各种高分子有机混合体的流变性能；（4）各种高分子凝胶体系的流变性能；（5）各种高分子材料的表面力学性质；（6）各种高分子材料的黏度；（7）各种高分子材料的热塑性等。
由此可见，高分子流变学的研究内容十分广泛，以上概括的只是其主要的研究方向。
高分子流变学的研究方法多种多样，包括物理化学方法、分子动力学模拟方法、统计力学方法、数学方法、拉伸实验、断口实验、压缩实验、延伸实验、撕裂实验、油化实验、交联实验等。
这些实验可以研究物质在受力作用下的流变性能、强度性能、分解性能等，因此在研究高分子材料的物性及强度性能时，这些方法都是不可或缺的。
与其它科学学科不同，高分子流变学有着其独特之处：首先，它是以有机分子结构体系为基础，研究物质受力作用时因材料组成、材料结构及外力变化而发生的变形、强度、损耗等现象；其次，它研究的对象没有限定，可以是任何类型的高分子材料，综上所述，高分子流变学是以有机分子结构体系为基础的力学与物理化学交叉学科，是研究高分子材料性能、强度性能及用途等方面技术问题的重要方向，其研究范围很广，涉及高分子材料的流变性能、各种高分子复合体的流变性能、各种高分子有机混合体的流变性能、各种高分子凝胶体系的流变性能等，研究方法也多种多样，为研究高分子材料物性及强度性能提供了重要参考。
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课程编号：0301106
高分子材料流变学
Polymer Rheology
总学时：32
总学分：2
课程性质：专业基础课
开设学期及周学时分配：第六学期，4或3学时/周
适用专业及层次：高分子材料专业，本科
相关课程：物理化学、高分子物理、橡胶工艺学、聚合反应工程学、塑料成型工艺学
教材：《高分子材料流变学》，吴其晔编著，高等教育出版社，2002年
推荐参考书：《聚合物加工流变学》，C. D. Han著，徐僖、吴大诚译，科学出版社，1985年
一、课程目的及要求
《高分子材料流变学》是高分子材料与工程专业本科生的必修课，课程设置的目的是：
1. 使学生对高分子材料加工过程的基本原理，主要包括高分子材料在成型加工过程中的基本流变学原理有比较全面的认识。
结合高分子物理学、材料加工工艺学、加工机械及模具设计，理解高分子材料的流变性质与材料的结构、性能、制品配方、加工工艺条件、加工机械及模具的设计和应用之间的关系。
2. 掌握高分子材料的基本流变学性质；了解研究高分子材料流变性质的基本数学、力学方法；掌握测量、研究高分子材料流变性质、传热性能的基本实验方法和手段。
为进一步学习《聚合反应工程学》、《材料成型加工工艺学》、《材料成型加工机械》、《模具设计》等课程打下基础。
3. 讨论典型高分子材料成型加工过程的流变学原理，讨论多相聚合物体系（复合材料）的流变性质，为分析和改进生产工艺、指导配方设计、开发和应用高分子材料提供一定的理论基础。
本大纲遵循基本理论与生产实践相结合，既有一定广度，又有一定深度、新度，材料宏观性质与微观结构分析相结合，唯象性讨论与建立数学模型相结合的特点，按照少而精的原则，设置了七章二十节内容，教学时数为32学时。
二、课程内容及学时分配
（一）课程内容
第一章绪论
§1-1 流变学概念
§1-2 高分子流变学研究的内容和意义
§1-3 高分子液体的奇异流变现象
高粘度与剪切变稀；Weissenberg效应；挤出胀大现象；不稳定流动和熔体破裂现象§1-4 高聚物粘流态特征和流动机理
粘流态特征；流动单元；流动机理，简介“高分子构象改变理论”及“力化学流动图象”
参考书：《高分子材料流变学》第一章，第1，2，3，4节
第二章基本物理量和高分子液体的基本流变性质
§2-1 粘度与法向应力差函数
形变（剪切形变、拉伸形变）；
形变率和速度梯度（剪切速率、拉伸速率）；
应力（切向应力、法向应力、法向应力差）；
剪切粘度（零剪切粘度、表观粘度、无穷剪切粘度）；
法向应力差函数（第一、二法向应力差函数）；
拉伸粘度
参考书：《高分子材料流变学》第二章，第3节
§2-2 非牛顿型流体的分类
Bingham塑性体（屈服应力）；
假塑性流体（牛顿流动区、剪切变稀区、幂律定律、第二牛顿流动区）；
胀塑性流体（剪切变稠性）；
触变体和震凝体
参考书：《高分子材料流变学》第二章，第4节；第一章，第3.9节
第三章关于高分子液体粘弹性的讨论
§3-1 关于剪切粘度的深入讨论
温度的影响
Arrhenius方程；粘流活化能；W-L-F方程
剪切应力和剪切速度的影响
流变曲线的特点；
流变曲线的时温叠加性
超分子结构参数的影响
平均分子量的影响（Fox-Flory公式；分子链缠结对流变性的影响）；
分子量分布的影响；
长链支化的影响
配合剂的影响
填充补强剂的影响（炭黑、碳酸钙）；
软化剂、增塑剂的影响
参考书：《高分子材料流变学》第二章，第5节；第四章，第4节
§3-2 关于“剪切变稀”及“液体弹性”的说明
高分子构象改变说
参考书：《高分子材料流变学》第二章，第6节
§3-3 高分子液体的弹性效应
挤出胀大效应
熔体破裂现象
高分子液体弹性效应的定量描述
法向应力差函数；可恢复剪切形变；挤出胀大比与出口压力降
参考书：《高分子材料流变学》第二章，第7节；第六章，第2.4节；第九章，第1节第四章流变学基础方程及应用
§4-1 连续性方程简介
质量守恒定律、连续性方程的物理意义
§4-2 运动方程简介
动量守恒定律、运动方程的物理意义；Navier-Stokes方程
§4-3 能量方程简介
能量守恒定律、能量方程的物理意义
§4-4 应用举例
§4-5 高聚物流变本构方程简介
参考书：《高分子材料流变学》第五章，第1234节；第三章，第1节
第五章剪切粘度的测量方法
§5-1 流变测量的目的、意义
测粘仪器的种类
§5-2 落球式粘度计的测量原理
§5-3 毛细管流变仪原理及数据处理
完全发展区的流动分析，剪应力和剪切速率的计算，Rabinowitch修正，粘度的测量；入口区的流动分析，入口压力校正（Bagley校正）
§5-4 转子式流变仪简介
§5-5 Brabender-Haake转矩流变仪简介
§5-6 动态粘度的测量
储能模量、损耗模量、复数模量、动态粘度、复数粘度、损耗因子
参考书：《高分子材料流变学》第六章，第1，2，3，4，5节
第六章高聚物典型加工过程的流变分析
§6-1 混炼工艺、压延工艺的流变分析
§6-2 挤出成型过程的流变分析
§6-3 注射成型过程的流变分析
参考书：《高分子材料流变学》第七章，第1，2节；第八章，第1节
第七章高分子基多相体系的加工流变行为
§7-1 多相共聚-共混体系的流变行为
高分子-高分子共混原则；高分子共混体系的形态；多相共混体系粘性行为的特点；多相共混体系弹性行为的特点
§7-2 高聚物填充体系的流变行为
填充体系的屈服现象；填充体系的粘性行为；填充体系的弹性行为
三、教学重点与难点
第一、二、三章：
1. 前三章为本课程学习的重点和基础。
2. 要求掌握流变学研究中的基本物理量及基本流变函数。
理解高聚物液体的流动机理，理解高聚物液体流动时发生剪切变稀、挤出胀大、熔体破裂等奇异流变现象。
能用“高分子构象改变理论”说明其奇异粘弹性。
3. 了解非牛顿流体的类别和流动特点。
4. 掌握各类条件和参数对高聚物液体剪切粘度的影响规律，包括：加工条件（温度、
压力、剪切速率、剪切应力），分子结构参数（分子量、分子量分布、长链支化程度），配方参数（填充－增强剂、软化－增塑剂）。
5. 理解高分子液体流动中的弹性效应及影响液体弹性的因素。
第四章：
1. 流变学基础方程，特别本构方程是流变学研究的中心课题，但由于需要较多数学准备知识，对材料类专业本科生不宜提出过高要求。
主要使学生了解本构方程基本概念及建立高聚物液体流变本构方程基本方法，对力学模型和分子模型理论有初步的认识。
2. 掌握幂率方程。
3. 了解定量研究高聚物流变性质的数学、力学方法；了解连续性方程，运动方程及能量方程的物理意义。
4. 了解平行板之间的拖曳流及圆柱形流道中压力流的流场分析。
第五章：
1. 熟悉和理解测量聚合物熔体、溶液剪切粘度的几种方法及原理，尤其对高压毛细管流变仪的测量原理、数据处理方法（Rabinowitch修正，Bagley修正）、测量结果分析等有较好的理解。
2. 了解高分子材料的动态粘弹性，了解测量动态粘弹性质的方法。
第六章：
1. 本章选择具有代表性的挤出加工过程，混炼加工过程，压延成型过程及注射成型过程，讨论流变学分析在研究加工原理中的作用，不同专业也可视教学对象的不同及学时的宽松加以节选及增删。
2. 理解各加工过程的流变学分析方法及结论，理解这些结论的物理意义。
3. 讲解的重点放在牛顿流体的等温流动过程上，求解过程尽管简化，侧重流场的分析及结果的讨论，并恰当地推广到非牛顿流体的情形。
第七章：
1. 在丰富的多相高聚物弹性流变性质研究中，本章选择两相高聚物共混体系及填充高聚物体系加以介绍，介绍的目的是使学生了解在对新高分子复合材料进行开发中，流变性质的意义。
2. 理解多相高聚物体系的粘弹行为及其他特殊性质。
3. 以流变性－形态结构－力学性能为中心线索，让学生进一步理解复合材料的微观、亚微观结构与宏观性质之间的联系。
四、主要教学方法
课堂讲授
五、典型作业练习
每一章结束后布置书面作业
六、课程考核方式
笔试，闭卷。