聚合物加工流变行为全解
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高分子材料加工工艺聚合物流变学基础
度，类似凝胶；当外部τ作用而破坏暂时的交联点时，粘度即随 和剪切时间的增加而降低。 摇凝性液体
A.含义：在定温下表观粘度随剪切持续时间延长而增大的液体称为摇凝性液体。 B.原因：主要原因是溶液中不对称的粒子（椭球形线团）在剪切应力场的速度作用下取向排列形成暂时 次价交联点所致，这种绨合使粘度不断增加，最后形成凝胶状，只要外力作用一停止，暂时交联点就消除，粘 度重新降低。
应变：材料在应力作用下产生的形变和尺寸的改变称为应变。（单位长度的形变量） 根据受力方式不同，通常有三种类型：剪切应变（γ）、拉伸应变（ε）和流体静压力的均匀压缩
剪切速率
表示单位时间内的剪切应变
拉伸速率 牛顿粘度
表示单位时间内的拉伸应变
为比例常数，称为牛顿粘度。是液体自身所固有的性质，其表征液体抵抗外力 引起流动变形的能力。液体不同，粘度值不同与分子结构和温度有关，单位（
高分子材料加工工艺聚合物流 变学基础
流变学 流动+形变
高分子材料加工流变学？
第一节 高分子熔体流变行为
• 1 非牛顿型流动 • （1）牛顿流体 • 服从牛顿流动定律的流体称为牛顿流体 • （2）非牛顿流体 • 凡不服从牛顿流动定律的流体称为非牛顿流体
应力：单位面积上所受的力称为应力。 根据受力方式不同，通常有三种主要类型：剪切应力（τ）、拉伸应力（б）和流体静压力（P）
• 高分子流动不是简单的整个分子的迁移，而是链段的相继蠕动来实现的。类似于蛇的蠕动。链段的尺寸大 小约含几十个主链原子。
• 流动不复合牛顿流体的运动规律。粘度随剪切速率或剪切应力的大小而改变。 • 这个优点利于我们通过改变螺杆转速、压力等工艺参数调节熔体的粘度、改善其流动性。
• 聚合物在流动过程中所发生的形变一部分是可逆的，因为聚合物的流动并不是高分子链之间简单的相对滑 移的结果，而是链段分段运动的总结果，这样在外力作用下，高分子链不可避免地要顺外力方向有所伸展 ，聚合物进行黏性流动时，必然伴随高弹形变。在外力消除后，高分子链又要卷曲起来。
A.含义：在定温下表观粘度随剪切持续时间延长而增大的液体称为摇凝性液体。 B.原因：主要原因是溶液中不对称的粒子（椭球形线团）在剪切应力场的速度作用下取向排列形成暂时 次价交联点所致，这种绨合使粘度不断增加，最后形成凝胶状，只要外力作用一停止，暂时交联点就消除，粘 度重新降低。
应变：材料在应力作用下产生的形变和尺寸的改变称为应变。（单位长度的形变量） 根据受力方式不同，通常有三种类型：剪切应变（γ）、拉伸应变（ε）和流体静压力的均匀压缩
剪切速率
表示单位时间内的剪切应变
拉伸速率 牛顿粘度
表示单位时间内的拉伸应变
为比例常数，称为牛顿粘度。是液体自身所固有的性质，其表征液体抵抗外力 引起流动变形的能力。液体不同，粘度值不同与分子结构和温度有关，单位（
高分子材料加工工艺聚合物流 变学基础
流变学 流动+形变
高分子材料加工流变学？
第一节 高分子熔体流变行为
• 1 非牛顿型流动 • （1）牛顿流体 • 服从牛顿流动定律的流体称为牛顿流体 • （2）非牛顿流体 • 凡不服从牛顿流动定律的流体称为非牛顿流体
应力：单位面积上所受的力称为应力。 根据受力方式不同，通常有三种主要类型：剪切应力（τ）、拉伸应力（б）和流体静压力（P）
• 高分子流动不是简单的整个分子的迁移，而是链段的相继蠕动来实现的。类似于蛇的蠕动。链段的尺寸大 小约含几十个主链原子。
• 流动不复合牛顿流体的运动规律。粘度随剪切速率或剪切应力的大小而改变。 • 这个优点利于我们通过改变螺杆转速、压力等工艺参数调节熔体的粘度、改善其流动性。
• 聚合物在流动过程中所发生的形变一部分是可逆的，因为聚合物的流动并不是高分子链之间简单的相对滑 移的结果，而是链段分段运动的总结果，这样在外力作用下，高分子链不可避免地要顺外力方向有所伸展 ，聚合物进行黏性流动时，必然伴随高弹形变。在外力消除后，高分子链又要卷曲起来。
聚合物加工-3.2—影响聚合物流变行为的主要因素-239
2.压力对粘度的影响
压力对于聚合物熔体粘度的影响，主要来自在聚合 物熔体的可压缩性，在压力作用下，聚合物熔体体积 减少，熔体分子间自由体积减少，分子间作用力增加 ，最终导致聚合物熔体的粘度增加。 压力与熔体粘度之间的关系可以用下式表示：
p =p e
0
b( p p0)
p p
0
b
压力为P时的粘度。 压力为P0时的粘度。 压力系数。
（3） 分子量分布对聚合物熔体粘度的影响：
多分散系数（d）：表征分子量分散程度的参数
MW M n
MW
Mn
重均分子量 数均分子量 （1）当分子量大小一样时 ，分子量分布较宽的聚合 物，熔体粘度较小，对剪 切作用比较敏感，非牛顿 性增强，假塑性流动区域 加宽。 （2）当分子量大小一样 时，分子量分布较窄的聚 合物，熔体粘度较大，对 温度比较敏感，表现更多 的牛顿流体特征。
（2） 分子量对聚合物熔体粘度的影响。
聚合物分子量增大，不同链段偶然位移相互抵消的几率增加， 因此分子链重心移动愈慢，要完成流动过程就需要更长的时间和更
多的能量，所以聚合物的粘度随分子量的增加而增大
Fox-Flory公式：
0 = KMW
或
logη0 = logK +α logMW
MW < Mc
增加压力，可以使聚合物 熔体的粘度增大， 但是，在实际生产中，单 纯的通过增大压力来提高 聚合物流体流量 的方法是不可取的。 一方面，压力过大，造成 功率消耗过大，设备损坏 加重；另一方面，在加大 压力下，聚合物熔体的流 动性变差，使生产工艺难 以调节。
几种聚合物的压缩率
b
a
应当指出的是：聚 合物在正常加工温度范 围内，增加压力对粘度 的影响和降低温度对粘 度的影响是相似的，这 称为压力－温度等效性 。 一般来讲，压力增 加1000大气压，对熔 体粘度的影响相当于 降低30-50°C的影响。
第四章 聚合物的流变行为
第一节 聚合物材料粘流态特征及流动机理
聚合物材料处于流动温度（ Tf ）或熔点（Tm） 和分解温度（ Td ）之间的一种凝聚态。
绝大多数线型聚合物材料具有这种状态。
对非晶型聚合物而言，温度高于流动温度Tf 即进 入粘流态。
对结晶型聚合物而言： 分子量低时，温度高于熔点（Tm）即进入粘流态； 分子量高时，熔融后可能存在类橡胶状态，需继续 升温，高于流动温度（Tf）才进入粘流态。
流
砌就被破坏，整个体系就显得有些膨胀。此时流体
动
不再能充满所有的空隙，润滑作用因而受到限制，
行
表观粘度就随着剪切速率的增长而增大。
为
流动曲线的实际意义
剪切速率和剪切应力对流 动性的影响主要表现为“剪切 变稀”效应。
该效应对高分子材料加工具 有重要意义。
由于实际加工过程都在一定 剪切速率范围内进行（见表）， 因此掌握材料粘-切依赖性的 “全貌”对指导改进高分子材 料加工工艺十分必要。
体
缠结点被解开和大分子规则排列的程度是随应
来 说
力的增加而加大的。
解缠理论：
当它承受应力时，原来由溶剂化作用而被封闭在
聚 粒子或大分子盘绕空穴内的小分子就会被挤出，这 合 样，粒子或盘绕大分子的有效直径即随应力的增加
物 而相应地缩小，从而使流体粘度下降。
溶 液
因为粘度大小与粒子或大分子的平均大小成正比，
例如：正常操作的挤出机中，塑料熔体沿螺杆螺槽向前 流动属稳定流动，因其流速、流量、压力和温度分布等参数 均不随时间而变动。
非稳态流动：流体的流动状况随时间而变化的流动。
例如：通常注射充模时熔体的流动。
注意：稳态和非稳态随着时间的变化也发生互变。
对聚合物流体流变性的研究，一般都假定是在稳态条 件下进行的。
聚合物的在成型过程中的流动和形变
聚合物的在成型过程中的流动和形变聚合物在各种成型过程中，大部分工艺均要求它处于粘流态，因为在这种状态下，聚合物在外力的作用下易于发生流动和变形。
流动与形变是聚合物成型加工中最基本的工艺特征。
高聚物流体有两种形式，一种是由固体加热到粘流温度或熔点以上，变成熔融状液体，即熔体。
也称干法塑化，特点是利用加热将高聚物固体变成熔体，定型时仅为简单的冷却。
但塑化时局部易产生过热现象。
另一种是加入溶剂使高聚物达到粘流态，即分散体。
也称湿法塑化，特点是用溶剂将塑料充分软化，定型时须脱溶剂，同时考虑溶剂的回收。
其优点是塑化均匀，能避免高聚物过热。
在成型加工过程中，两种高聚物流体都有着广泛的应用。
这里主要介绍高聚物熔体的形式。
一、聚合物在成型过程中的流动性能聚合物在加工过程中具有的流动和形变均是由外力作用的结果。
聚合物成型时，在外力作用下，其内部必然会产生与外力相平衡的应力。
主要的应力有三种：即切应力、拉伸应力和流体静压力。
如熔体在注射机喷嘴或模具的流道的流动产生剪切应力；熔体在挤出吹塑时被拉伸产生拉伸应力，实际加工过程中，聚合物的受力非常复杂，往往是这三种应力同时出现，如熔体在挤出成型和注射成型中物料进入口模、浇口和型腔时流道截面积发生改变条件下的流动等，但剪切应力最为重要，因为聚合物流体在成型过程中流动的压力降，塑件的质量等都受其制约。
流体静压力是熔体受到压缩作用而产生的，它对流体流动性质的影响相对较小，一般可以忽略不计，但对粘度有一定的影响，在压缩成型时流体静压力是较为主要的应力。
聚合物在一定的温度和压力条件下具有流动性，流体在平直圆管内流动的形式有层流和湍流两种，如图2—5所示，图a 为层流，层流是一层层相邻的薄层液体沿外力作用方向进行的滑移。
流体的质点沿着许多彼此平行的流层运动，同一流层以同一速度向前移动，各流层的速度虽不一定相等，但各流层之间不存在明显的相互影响。
图b 为湍流，又称“紊流”，流体的质点除向前运动外，各点速度的大小、方向都随时间而变化，质点的流线呈紊乱状态。
《聚合物的流变行为》课件
流变学的意义和应用领域
流变学研究有助于了解和改进材料的流动性、加工性能和性能稳定性。应用广泛，如塑料制 品、药物输送系统等。
聚合物的流变特性
聚合物在外力作用下表现出不同的变形行为，包括塑性变形、弹性变形和黏弹性行为。
1 塑性变形
聚合物在外力作用下可永久变形，形状会改变，不易恢复原状。
2 弹性变形
聚合物在外力作用下会有弹性还原能力，恢复原状。
《聚合物的流变行为》 PPT课件
欢迎来到《聚合物的流变行为》PPT课件。本课件将介绍聚合物的流变特性、 影响因素、测试方法以及应用领域等内容。
流变学的基本概念
流变学是研究物质在外力作用下流动和变形规律的学科。它的定义
流变学研究物质对外力的响应，包括黏弹性、塑性和弹性等变形行为。
通过流变图可以了解聚合物的流变行为，作为材料研发和品质控制的重要参考。
聚合物流变行为的应用
聚合物的流变行为在各个领域都有应用，包括工业、生物医学和材料科学等。
工业应用
在工业生产中，了解聚合物的流 变行为有助于改进材料加工和产 品性能。
生物医学应用
聚合物的流变行为研究对于药物 输送系统、生物材料等具有重要 意义。
材料科学应用
了解聚合物的流变行为可用于材 料设计和性能优化，如聚合物复 合材料等。
流变学的发展趋势
随着科学技术的不断进步，流变学将继续发展并应用于更多领域，如纳米材 料、可持续能源等。
聚合物结构和分子量
不同的聚合物结构和分子量会影响其流动性、黏弹性和弹性行为。
流变性能测试方法
了解聚合物的流变性能有助于材料的研发和应用。常用的测试方法包括拉伸试验、剪切试验等。
1
拉伸试验
通过施加拉伸力测量聚合物的延展性和力学性能。
流变学研究有助于了解和改进材料的流动性、加工性能和性能稳定性。应用广泛，如塑料制 品、药物输送系统等。
聚合物的流变特性
聚合物在外力作用下表现出不同的变形行为，包括塑性变形、弹性变形和黏弹性行为。
1 塑性变形
聚合物在外力作用下可永久变形，形状会改变，不易恢复原状。
2 弹性变形
聚合物在外力作用下会有弹性还原能力，恢复原状。
《聚合物的流变行为》 PPT课件
欢迎来到《聚合物的流变行为》PPT课件。本课件将介绍聚合物的流变特性、 影响因素、测试方法以及应用领域等内容。
流变学的基本概念
流变学是研究物质在外力作用下流动和变形规律的学科。它的定义
流变学研究物质对外力的响应，包括黏弹性、塑性和弹性等变形行为。
通过流变图可以了解聚合物的流变行为，作为材料研发和品质控制的重要参考。
聚合物流变行为的应用
聚合物的流变行为在各个领域都有应用，包括工业、生物医学和材料科学等。
工业应用
在工业生产中，了解聚合物的流 变行为有助于改进材料加工和产 品性能。
生物医学应用
聚合物的流变行为研究对于药物 输送系统、生物材料等具有重要 意义。
材料科学应用
了解聚合物的流变行为可用于材 料设计和性能优化，如聚合物复 合材料等。
流变学的发展趋势
随着科学技术的不断进步，流变学将继续发展并应用于更多领域，如纳米材 料、可持续能源等。
聚合物结构和分子量
不同的聚合物结构和分子量会影响其流动性、黏弹性和弹性行为。
流变性能测试方法
了解聚合物的流变性能有助于材料的研发和应用。常用的测试方法包括拉伸试验、剪切试验等。
1
拉伸试验
通过施加拉伸力测量聚合物的延展性和力学性能。
聚合物的流变性质
大多数热塑性 聚合物属于假 塑性液体。
• “剪切稀化”效应 ：（假塑性液体）表观粘度随切变速率的 增大呈指数规律减小。
生产中的关键是如何 控制各种因素，以便 剪切稀化效应保持菜 一个合理的范围。
成型有关的聚合物流变性质
3. 影响粘度的因素
聚合物结构 温度 压力
(1)聚合物结构对粘度的影响 • 注射成型过程中，相对分子质量分布经常
塑料成型工艺与模具设计
聚合物的流变性质
• 流变学：研究物质变形与流动的科学。 • 聚合物流变学：
应力 聚合物在外力作用下： 应变
影响因素
关系
粘度
应变速率
• 注射成型：
聚合物流变学理论
选择合理的工艺条件 合理设计成型系统、模具结构
成型有关的聚合物流变性质
1. 牛顿流动规律
液体在圆管中流动的形式
层流（Re＜2100~4000） 紊流（Re＞4000）
聚合物成型时： 层流
• 非牛顿液体大多服从： 指数流动规律
K
dv
n
K
•Байду номын сангаас
n
dr
K：稠度系数；
n：非牛顿指数；
•
取：
K
n
1
：表现粘度；
•
：表现粘度；
• 当n=1时，ηα=K=η ，这意味着非牛顿液 体转变为牛顿液体，所以n值可用来可反映
• n＞1：膨胀性液体。 • n＜1：假塑性液体。
(3)压力对粘度的影响
成型设备
力F
聚合物 熔体
熔体体积收缩
粘度提高
• 对需要增大粘度而又不宜采用降温措施的 场合，可考虑采用提高压力的方法解决。
塑料成型工艺与模具设计
第9章聚合物的流变形
When T >Tg+100 a AeE / RT
E - 粘流活化能 viscous flow energy
高分子流动时的运动单元: 链段(的协同运动)
E 由链段的运动能力决定, 与分子链的
柔顺性有关, 而与分子量无关!!
29
a AeE / RT
刚性链 E大 粘度对温度敏感
柔性链
E小
粘度对温度不敏感 对剪切速率敏感
. n1
a K
表观粘度与形变速率有关
根据流动曲线的特征，非牛顿流体有如下几种类型：
1.宾汉塑性体
2.假塑性流体
3.膨胀性流体
5
宾汉（Binghann）塑性体
宾汉塑性体
牛顿流体 y
y
特征：当切应力小于临界值 y （也即屈服应力）时，
根本不流动，其形变行为类似于虎克弹性体
符合这种规律的流动称为塑性流动或宾汉流动。许多含填
loga
M < Mc
0
=
KM
1~1.6 w
M > Mc
0
=
KM
3 ~ 3.4 w
logMc logM
23
不同用途对分子量有不同的要求： 合成橡胶一般控制在20万； 塑料居橡胶和与纤维之间， 合成纤维一般控制在1.5万～10万；
不同加工方法对分子量有不同要求： 挤出成型要求分子量较高； 注射成型要求分子量较低； 吹塑成型在挤出和注射两者之间。
锥板式 平行板式 圆筒式
12
落球粘度计
原理：半径为r，密度
为 的圆球，在粘度
为 ，密度为 s 的
无限延伸的液体中运动 时，小球受阻力
应用：测低切变速率下零切粘度
13
E - 粘流活化能 viscous flow energy
高分子流动时的运动单元: 链段(的协同运动)
E 由链段的运动能力决定, 与分子链的
柔顺性有关, 而与分子量无关!!
29
a AeE / RT
刚性链 E大 粘度对温度敏感
柔性链
E小
粘度对温度不敏感 对剪切速率敏感
. n1
a K
表观粘度与形变速率有关
根据流动曲线的特征，非牛顿流体有如下几种类型：
1.宾汉塑性体
2.假塑性流体
3.膨胀性流体
5
宾汉（Binghann）塑性体
宾汉塑性体
牛顿流体 y
y
特征：当切应力小于临界值 y （也即屈服应力）时，
根本不流动，其形变行为类似于虎克弹性体
符合这种规律的流动称为塑性流动或宾汉流动。许多含填
loga
M < Mc
0
=
KM
1~1.6 w
M > Mc
0
=
KM
3 ~ 3.4 w
logMc logM
23
不同用途对分子量有不同的要求： 合成橡胶一般控制在20万； 塑料居橡胶和与纤维之间， 合成纤维一般控制在1.5万～10万；
不同加工方法对分子量有不同要求： 挤出成型要求分子量较高； 注射成型要求分子量较低； 吹塑成型在挤出和注射两者之间。
锥板式 平行板式 圆筒式
12
落球粘度计
原理：半径为r，密度
为 的圆球，在粘度
为 ，密度为 s 的
无限延伸的液体中运动 时，小球受阻力
应用：测低切变速率下零切粘度
13
聚合物流变学
• 高分子的流动：不是简单的整条分子链的跃迁，而是通过
链段的相继跃迁来实现，即通过链段的逐步位移完成整条 大分子链的位移。形象地说,这种流动类似于蚯蚓的蠕动 • 这模型并不需在高聚物熔体中产生整个分子链那样大小的 孔穴,而只要如链段大小的孔穴就可以了。这里的链段也称 流动单元,尺寸大小约含几十个主链原子 • （2）高分子流动不符合牛顿流体的流动定律 • 一般不符合牛顿流体定律，即不是牛顿流体，而是非牛顿 流体，常是假塑性流体，这是由于分子链的解缠结或流动 时链段沿流动方向取向，使黏度降低。
影响粘流温度的因素
• 化学结构
• （1）链柔性好，则Tƒ 低；刚性大，
Tƒ 高。
• 原因：柔性分子的链段小，流动所需的孔较小，流动活化
能也小，Tƒ低。柔性差，因为链段大，流动所需的孔较大， 流动活化能也大，所以在较高的温度下才可流动， Tƒ高 。 • （2）分子间作用力大，则Tƒ 高；分子间作用力小，则Tƒ低 • 原因：若分子间的相互作用力很大，则必须在较高的温度 下才能克服分子间的相互作用而产生相对位移，因此高分 子的极性越大, Tƒ越高
• 流体在平直管内受剪切应力而发生流动的形式有层流和湍
流两种。 • 层流时，液体主体的流动是按许多彼此平行的流层进行的， 同一流层之间的各点速度彼此相同，但各层之间的速度却 不一定相等，而且各层之间也无可见的扰动。 • 如果流动速度增大且超过临界值时，则流动转变为湍流。 湍流时，液体各点速度的大小和方向都随时间而变化，此 时流体内会出现扰动
• （3）高分子流动伴有高弹形变 • 有粘性形变（不可逆形变）: 整条大分子链质心移动产生的。
除去外力不能回复。还有高弹形变:由链段运动产生的（可 逆形变） • 不是简单的整个分子的迁移，而是各个链段分段运动的总 结果，在外力作用下，高分子链不可避免的要顺外力的方 向有所伸展，即同时伴随着一定量的高弹形变，外力消失 后高分子链又要蜷曲，形变要恢复一部分。
完整课件-聚合物加工流变学
湍流。高聚物熔体在成型条件下的雷诺准 数<<1，一般呈现层流状态。
2 聚合物熔体的基本流变性能
（2）稳定流动和不稳定流动 凡在输送通道中流动时，流体在任何部位的流
动状态保持恒定，不随时间而变化，一切影响流 体流动的因素都不随时间而改变，此种流动称为 稳定流动。
凡流体在输送通道中流动时，流动状态都随时 间而变化。影响流动的各种因素，有随时间而变 动的情况，此种流动称为不稳定流动。
• 16世纪至18世纪，流变学的发展较快。 • 19世纪，建立的泊肃叶方程，在流变学的
发展史上是一个很重要的标志。
1.2 流变学的发展历史
1.2 流变学的发展历史
• 1678年 胡克弹性定律 1687年 牛顿粘性定律 1928年 流变学概念的提出 1929年 流变学协会的成立 流变学杂志 1948年 第一届国际流变学会议 1950年以后 流变学领域研究迅速发展
课程内容
第1章：绪论 第2章 ：聚合物熔体的基本流变性能
第3章：聚合物流动方程 第4章：流变学基础方程的初步应用 第5章：挤出机头设计
绪论
• 1.1 流变学的定义 • 1.2 流变学的发展历史 • 1.3 高聚物流变学的研究内容 • 1.4 高聚物流变学的研究意义 • 1.5 高聚物流变学在塑料加工中的应用
2 聚合物熔体的基本流变性能
（5）拉伸流动和剪切流动 • 按照流体内质点速度分布与流动方向关系，
可将高聚物加工时的熔体流动分为拉伸流 动和剪切流动两类。 • 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。如图2-1(a)。 • 拉伸流动：指点速度仅沿流动方向发生变 化，如图2-1(b)。
2 聚合物熔体的基本流变性能
（3）等温流动和非等温流动 • 等温流动是指流体各处温度保持不变情况下的
2 聚合物熔体的基本流变性能
（2）稳定流动和不稳定流动 凡在输送通道中流动时，流体在任何部位的流
动状态保持恒定，不随时间而变化，一切影响流 体流动的因素都不随时间而改变，此种流动称为 稳定流动。
凡流体在输送通道中流动时，流动状态都随时 间而变化。影响流动的各种因素，有随时间而变 动的情况，此种流动称为不稳定流动。
• 16世纪至18世纪，流变学的发展较快。 • 19世纪，建立的泊肃叶方程，在流变学的
发展史上是一个很重要的标志。
1.2 流变学的发展历史
1.2 流变学的发展历史
• 1678年 胡克弹性定律 1687年 牛顿粘性定律 1928年 流变学概念的提出 1929年 流变学协会的成立 流变学杂志 1948年 第一届国际流变学会议 1950年以后 流变学领域研究迅速发展
课程内容
第1章：绪论 第2章 ：聚合物熔体的基本流变性能
第3章：聚合物流动方程 第4章：流变学基础方程的初步应用 第5章：挤出机头设计
绪论
• 1.1 流变学的定义 • 1.2 流变学的发展历史 • 1.3 高聚物流变学的研究内容 • 1.4 高聚物流变学的研究意义 • 1.5 高聚物流变学在塑料加工中的应用
2 聚合物熔体的基本流变性能
（5）拉伸流动和剪切流动 • 按照流体内质点速度分布与流动方向关系，
可将高聚物加工时的熔体流动分为拉伸流 动和剪切流动两类。 • 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。如图2-1(a)。 • 拉伸流动：指点速度仅沿流动方向发生变 化，如图2-1(b)。
2 聚合物熔体的基本流变性能
（3）等温流动和非等温流动 • 等温流动是指流体各处温度保持不变情况下的
聚合物加工课件-流变行为.全解
3.2 聚合物熔体的流变行为
3.2.1 应力和应变的类型
材料在拉伸作用下产生的形变称为拉伸应变，也称相对伸 长率（e）。 F
A0
A
l0
Dl
l
简单拉伸示意图
F
拉伸应力 = F / A0
（A0为材料的起始截面积）
拉伸应变（相对伸长率）e = （l - l0）/l0 = △l / l0
简单剪切(shearing)
总结
前四种模式表示高聚物在一定条件下表现出的性状:线性 弹性适于温度＜玻璃化温度的聚合物和高度交联的聚合物;非 线性弹性适于温度＞玻璃化温度时部分交联的聚合物;前者指 应力与应变的关系是瞬间发生的,以后不随时间而变化;后者 则在达到平衡应变后,不再随时间变化. 线性和非线性粘性粘性适于高聚物溶液及高聚物熔体,实质 上a高聚物有多重运动单元往往在外场作用同时表现出弹性和粘 性 b应充分考虑分子运动单元的运动时间依赖性. 一般情况下,高聚物用粘弹性表示,应力较小时,用线性粘弹 性表示;而应力大时,则为非线性粘弹性.
体破裂现象的出现，所以通常都使收敛角α＜10º 。
拖曳流动：液体流动的管道或口模的一部分能以一定 的速度和规律进行运动(相对于静止部分)，则聚合物 将随管道和口模的运动部分产生拖曳流动，它是一种 剪切流动，压力降及流速分布受运动部分的影响。
聚合物液体在挤出机螺杆槽与料筒壁所构成的矩形通 道中的流动或在挤出线缆包复物环形口模中的流动就是典
二、线性粘性流动(牛顿流体)
牛顿流动定律：τ = η 牛顿流体：符合牛顿流动定律的 流体 如：水、甘油 粘度为流体发生单位速度梯 度时单位面积上所受到的剪切力。 反映了液体分子间的相互作用而 产生的流动阻力，即内摩擦力的 大小。
10.3聚合物的流动性解析
Tƒ 是材料加工的下限温度， Td是材料加工的上限温度
31
2.分子量的影响 Tƒ 是整个高分子链开始运动的温度，所以Tƒ 仅与分子结构有关，与分子量也有关。
分子量大，链段数目越多，克服分子运动 所需的内摩擦阻力越大， Tƒ 升高。
32
3.与外力作用时间和大小的关系
外力作用使Tƒ低
提高链段沿着外力方向向
不存在粘流态的情况
1）、Td < Tf 的Linear Polymer: PAN、PTIF
2）交联度很大（体型）或分子链刚性过强的 Polymer
Cured Epoxy resin 、 PF 、聚乙炔、联苯
2
10.3.2 流 动 机 理
低分子物质：分子通过分子间的孔穴相继向 某一 方向移动（外力作用方向），形成液体 宏观流动现象 高分子的流动：（不是简单的整条分子链的跃迁）
2－分布窄
在分子量相同时，分子量分布窄 比分布宽的对粘度影响不明显
12
图11
ŕ
ŕ小时,分子量分布宽的比窄的粘度高
ŕ大时,分子量分布宽的要比窄的粘度 低
26
分布窄的长链比率小,在剪切速率低时, 宽 的缠结结构多,拟网状结构密度大,所以粘度 高.在高剪切速率时,宽的增加剪切速率破坏 的拟网状结构多,解缠绕多,拟网状结构密度 大大降低,流动单元减小,阻力减小,所以剪切 变稀明显.
RT
柔性链
1/T
图8 温度跟链的柔性对粘度的影响
17
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
18
聚合物的流变性.ppt
η>ηa>η∞
聚合物流动曲线的解释
缠结理论解释：缠结破坏与形成的动态过程。
ⅰ第一牛顿区： 切变速率足够小，高分子处于高度 缠结的拟网结构，流动阻力大；缠结结构的破坏 速度等于形成的速度，粘度保持不变，且最高。
ⅱ假塑性区：切变速率增大，缠结结构被破坏，破 坏速度大于形成速度，粘度减小，表现出假塑性 流体行为。
9.2.2影响聚合物熔体粘度的因素
A、粘度的分子量依赖性
（1）分子结构
临界分子量发生缠结的最小分子量
When M<Mc
0
KM
1~1.6 w
When M>Mc
0
KM
3~ w
3.4
△成型加工考虑，流动性好（充模好，表面光洁）。 降低分子量，增加流动性，但影响机械强度。在加 工时适当调节分子量大小，满足加工要求尽可能提 高分子量。
定义：挤出机挤出的高聚物熔体其直径比挤出 模孔的直径大的现象。
如何减小挤出涨大？
——引起聚合物弹性形变储能剧烈变化区域 为：模孔入口处，毛细管壁和模孔出口处。
——模口设计成流线型，提高加工温度等。 胀大比B随切变速率提高而增大，B随L／D↑而 减小。
9.4.4 不稳定流动 •波浪形 •鲨鱼皮形 •竹节形 •螺旋形 •不规则破裂
9.1牛顿流体和非牛顿流体
1、牛顿流体：
剪切形变
dx dy
，
剪切应力
F
A
切变速( dx)
d
(dx) dv
dt dt dy dy dt dy
(s-1 )
牛顿流动定律：
：单位Pa·s
凡流动行为符合牛顿流动定律的流体， 称为牛顿流体。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。
聚合物流动曲线的解释
缠结理论解释：缠结破坏与形成的动态过程。
ⅰ第一牛顿区： 切变速率足够小，高分子处于高度 缠结的拟网结构，流动阻力大；缠结结构的破坏 速度等于形成的速度，粘度保持不变，且最高。
ⅱ假塑性区：切变速率增大，缠结结构被破坏，破 坏速度大于形成速度，粘度减小，表现出假塑性 流体行为。
9.2.2影响聚合物熔体粘度的因素
A、粘度的分子量依赖性
（1）分子结构
临界分子量发生缠结的最小分子量
When M<Mc
0
KM
1~1.6 w
When M>Mc
0
KM
3~ w
3.4
△成型加工考虑，流动性好（充模好，表面光洁）。 降低分子量，增加流动性，但影响机械强度。在加 工时适当调节分子量大小，满足加工要求尽可能提 高分子量。
定义：挤出机挤出的高聚物熔体其直径比挤出 模孔的直径大的现象。
如何减小挤出涨大？
——引起聚合物弹性形变储能剧烈变化区域 为：模孔入口处，毛细管壁和模孔出口处。
——模口设计成流线型，提高加工温度等。 胀大比B随切变速率提高而增大，B随L／D↑而 减小。
9.4.4 不稳定流动 •波浪形 •鲨鱼皮形 •竹节形 •螺旋形 •不规则破裂
9.1牛顿流体和非牛顿流体
1、牛顿流体：
剪切形变
dx dy
，
剪切应力
F
A
切变速( dx)
d
(dx) dv
dt dt dy dy dt dy
(s-1 )
牛顿流动定律：
：单位Pa·s
凡流动行为符合牛顿流动定律的流体， 称为牛顿流体。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。
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恢复形变 粘性流动产生的形变
如果形变的时间尺度比聚合物熔体的松弛时间小很多，则形变 主要反映弹性，因为此时粘性流动产生的形变还很小。 聚合物的分子量大，分布宽时，熔体的弹性表现显著；
分子量大 熔体粘度大，松弛时间长 ，弹性形变松弛得慢； 分子量分布宽，松弛时间分布也宽，熔体的弹性表现显著.
总结
前四种模式表示高聚物在一定条件下表现出的性状:线性 弹性适于温度＜玻璃化温度的聚合物和高度交联的聚合物;非 线性弹性适于温度＞玻璃化温度时部分交联的聚合物;前者指 应力与应变的关系是瞬间发生的,以后不随时间而变化;后者 则在达到平衡应变后,不再随时间变化.
Re=DVˆρ/η
D为导管直径, Vˆ为流体的平均流速,ρ为液体密度,
η为流体剪切粘度,
Re＜2100-4000为层流，聚合物的Re＜10，一般为 层流; 但当小浇口熔体注射时，会出现弹性湍流、
稳定流动和不稳定流动
稳定流动：流体的流动 状况和影响流体流动的因 素均不随时间变化. 不稳定流动：流体的流动 状况和影响流体流动的 因素均随时间变化.
线性和非线性粘性粘性适于高聚物溶液及高聚物熔体,实质 上a高聚物有多重运动单元往往在外场作用同时表现出弹性和粘 性 b应充分考虑分子运动单元的运动时间依赖性.
一般情况下,高聚物用粘弹性表示,应力较小时,用线性粘弹 性表示;而应力大时,则为非线性粘弹性.
3.2 聚合物熔体的流变行为
3.2.1 应力和应变的类型
Hooke定律： C为弹性常数
c
线性弹性变形特点
σ
1 变形小，且可逆；
2 变形及回复无时间依赖性； 3 形变能完全回复
t1
t2
t
4 无能量损失（能弹性）
5 应力与应变呈线性关系.
t1
t2
t
线性弹性变形
适用范围:玻璃态聚合物、高度交联聚合物等
判断题
1 所有的聚合物都有可能发生线性弹性变形 2在某些情况下，所有的聚合物都有可能只发生
第三章 聚合物的流变行为
3
The Rheological Behavior of Polymers
本章教学内容
1．基础知识； 2．聚合物熔体的流变行为 3．影响聚合物流变行为的主要因素 4、聚合物流体在管和槽中的流动
3.1 聚合物流变学基础
3.1.1 流变学的定义
研究材料流动和变形的科学 聚合物流变学是指研究聚合物及其流体变形与流动 特性的科学
四、非线性粘性(非牛顿流体)
粘度的剪切速率依赖性
一 假塑性 (pseudoplastic)或剪切稀化(shear-thinning) 二 膨胀性 (dilatancy)或剪切稠化(shear-thickening)
有弹性表现 在粘流态下，材料的形变除有不可逆的流动成份外，还有部 分可逆的弹性形变成份，因此这种流动称为流变性，或称为 “弹性流动”或“类橡胶液体流动”。
A0
F
F
简单剪切示意图
剪切应变 = tg 剪切应力s = F / A0
均匀压缩（pressurizing) 材料受到均匀压力压缩时发生的体积形变称
压缩应变（ V）。
A0
材料经压缩以后，体积由V0缩小为V，则压缩应变： V = （V0 - V）/ V0 = △V / V0
牛顿流体：剪切流动时，内部只有剪切力，无拉伸压缩 应力（正应力）；
线性粘性流动特点 变形的时间依赖性:
•
=σ/η=dγ/dt，γ=(σ/η)t 即变形随时间而发展
σ
γ
t1 t
t1 t
流动形变不可回复,能量散失为热; η与应变速率无关,应力与应变速率呈正比关系;
适用范围:线形或支化高聚物在处于熔体状态时,在低剪切速 率或高剪切速率下是牛顿流体,聚合物的稀溶液也是牛顿流 体。
材料在拉伸作用下产生的形变称为拉伸应变，也称相对伸
长率（e）。 F
A0
A
l0
l
简单拉伸示意图
Dl F
拉伸应力 = F / A0 （A0为材料的起始截面积） 拉伸应变（相对伸长率）e = （l - l0）/l0 = △l / l0
简单剪切(shearing) 材料受到与截面平行、大小相等、方向相反，但不 在一条直线上的两个外力作用，使材料发生偏斜。其偏 斜角的正切值定义为剪切应变（）。
粘弹性高分子流体：剪切流动时，内部既有剪切力，又 有正应力
Байду номын сангаас
3.2.2 流动类型
层流与湍流 层流指的是流体在平直导管中受剪切应力时，发生流动的形式。 层流时,流体可看作许多彼此平行的流层沿外力方向相对滑移,同 一流层之间各点速度彼此相同,但各层间速度不等,各层间无可见 骚扰.
湍流指的是流体的点速度大小和方向随时间而变化,有可见骚扰.
3.1.2 流变学的研究内容
流变学
聚合物流变学(熔体,溶液) 生物流变学(血液,关节滑液) 润滑剂,悬浮体流变学
聚合物流变学
结构流变学(微观,分子流变学) 加工流变学(宏观流变学) 流变测量学 流变行为与数学模式
3.1.3 聚合物流变学的五大数学模型
一、线性弹性(虎克弹性)
线性弹性也称为虎克弹性，应力与应变之间存在线性关系
交联和体型高分子材料和某些刚性分子链和分子链间有强相 互作用的聚合物，不具有粘流态，
五、线性粘弹性
应力和应变或应力和应变速率成线性关系
聚合物熔体的形变可S分R 为：
恢复形变和粘性流动产生的 形变 如果形变的时间尺度比聚合 物熔体的松弛时间大很多， 则形变主要反映粘性流动， 因为弹性形变在此时间内几 乎都松弛了；
三、非线性弹性(橡胶弹性)
非线性弹性变形特点 形变量大，且可逆； 有时间依赖性(表现为推迟高弹形变,但当达到平衡形变
后,应力与应变的关系对时间的依赖性小) 小应变时符合线性弹性； 变形时有热效应； 弹性模量随温度增加而增加。
ε (平衡应变) ε0
t1
t
适用范围: 适于轻度交联的聚合物
问 题
垂直悬挂一砝码于橡胶筋下，使之呈拉伸状态，当周围的环 境温度升高时，将观察到什么现象？并对此现象进行解释
线性弹性变形 3 有的聚合物，在一般情况下只能发生线性弹性
变形 4、玻璃态高聚物只能发生线性弹性变形
二、线性粘性流动(牛顿流体)
牛顿流动定律：τ = η
牛顿流体：符合牛顿流动定律的 流体
如：水、甘油 粘度为流体发生单位速度梯 度时单位面积上所受到的剪切力。 反映了液体分子间的相互作用而 产生的流动阻力，即内摩擦力的 大小。