聚合物流变学导论2006秋-11-拉伸粘度

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第四章-聚合物流体的流变性

第四章-聚合物流体的流变性

(4)聚合物链结构中的侧基 当侧基体积较大时,自由体积增
大,流体黏度对压力和温度敏感性增 加. 如PMMA和PS可以提高T或者改 变P来改善流动性
顺丁胶的黏度与相对分子质量的关系 1-直链,2—三支链,3—四支链
2. 相对分子质量的影响
(1)相对分子质量对0 的影响
丙烯腈共聚物在NaSCN-H2O 中浓溶液的零切黏度对分子量的依赖性
0 A exp E RT
ln0 ln A E RT
lg 0
lg
A
E 2.303 RT
当T>Tg+100℃时, 由Arrhenius方程式:
0 A exp E RT
ln0 ln A E RT
lg 0
lg
A
E 2.303 RT
须知
➢ 黏流活化能的大小显著受剪切应力或剪切速率的 影响,因此,测定黏流活化能必须说明具体的实 验条件。
C =45.4%,Mc=1.3103; C = 15%时, Mc=6.03104
(2)分子量对流动曲线的影响(P71)
聚合物流体流动曲线对分 子量的依赖性
M ↑ 流动曲线上移 , 0 ↑
相cr同向低值移下动的a ↑
cr
3.相对分子质量分布的影响
(二) 聚合物溶液浓度对黏度的影响
1.聚合物溶液浓度对0 (或)的影响
不稳定流动
• 凡流体在输送通道中流动 时,其流动状况及影响流 动的各种因素都随时间而 变化,此种流动称为不稳 定流动。如在注射成型的 充模过程中,在模腔内的 流动速率、温度和压力等 各种影响流动的因素均随 时间而变化。
等温流动和非等温流动
等温流动
• 流体各处的温度保持不变 情况下的流动。在等温流 动情况下,流体与外界可 以进行热量传递,但传入 和输出的热量保持相等, 达到平衡。

聚合物的粘性流动-聚合物流变学基础课件

聚合物的粘性流动-聚合物流变学基础课件
2
9.1.2 聚合物熔体流动特点
(1)粘度大,流动性差: 这是因为高分子链的流动 是通过链段的相继位移来实现分子链的整体迁移, 类似蚯蚓的蠕动。 (2)不符合牛顿流动规律:在流动过程中粘度随 切变速率的增加而下降(剪切变稀)。
(3)熔体流动时伴随高弹形变:因为在外力作用 下,高分子链沿外力方向发生伸展,当外力消失后, 分子链又由伸展变为卷曲,使形变部分恢复,表现 出弹性行为。
M > Mc 0 =KMw3~3.4
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。
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
工业上常用MI值作为衡量聚合物分子量大小的一种相对指标,分 子量越大,MI值越小。
15
锥板式旋转粘度计
锥板粘度计是用于测定聚合物熔体粘度的常用仪器。
门尼粘度计
在一定温度下(通常 100C)和一定的转子速 度下,测定未硫化的橡 胶对转子转动的阻力
Mooney Index
100C
M
I100 34
预热3min
熔融指数(Melt index ——简MI ):指在一定的温度下和规定

聚合物流变学(绪论)课件

聚合物流变学(绪论)课件
聚合物流变学还可以用于研究高分子材料的结构与性能关系,通过分析聚合物的微观结构和流变性质,可以揭示材料在不同条件下的性能变化规律,为材料科学的发展提供理论支持。
除了在高分子材料加工和性能研究中的应用外,聚合物流变学还广泛应用于其他领域,如生物医学、食品科学、石油化工等。
05
聚合物流变学的未来发展
1
2
3
流变学与材料科学、物理学、化学等学科的交叉融合将进一步加强,为流变学理论的发展提供更多思路和方法。
跨学科融合
实验和计算模拟的相互补充和验证将成为流变学研究的重要手段,有助于更深入地揭示流体的复杂行为。
实验与计算模拟相结合
人工智能、大数据和云计算等技术在流变学中的应用将逐渐普及,提高流变学研究的效率和精度。
智能化技术的应用
聚合物流变学研究面临实验难度大、理论模型复杂、多尺度效应等问题,需要不断探索和创新。
随着科技的发展,聚合物流变学在材料制备、加工、性能优化等方面具有广阔的应用前景,为相关领域的发展提供有力支持。
机遇
挑战
THANK YOU
聚合物流变学(绪论)课件
目录
contents
聚合物流变学简介聚合物流变学基础知识聚合物流变学研究方法聚合物流变学应用聚合物流变学的未来发展
01
聚合物流变学简介
01
02
它涉及到高分子材料的流变性质、流动行为、结构变化以及与加工工艺之间的关系等多个方面。
聚合物流变学是一门研究高分子材料在流动和变形过程中所表现出来的各种物理和化学行为的科学。
将连续的流体离散为有限个单元,如有限差分法、有限元法等。
离散化方法
根据物理定律和边界条件,建立描述流体运动的偏微分方程或积分方程。
建立模型方程

聚合物流变学导论2006秋-04-特殊流变行为c

聚合物流变学导论2006秋-04-特殊流变行为c

Addition of small amount of fluoropolymer prevents the occurrence of extrusion instability.
HDPE的粘-滑转变
LDPE, PS的粘-滑转变
LDPE
PS
为什么LDPE和PS在粘-滑转变现象不明显?
LDPE和PS都是支链型高分子,分子链的缠结不如 HDPE等线性高分子明显,其粘滑现象转变不显著。
L/D = 4
左图为剪切速率相同时, 不同长径比的毛细管内的 压力分布
L/D=20
但是, 对减少HDPE挤出 破裂不利,因为,HDPE挤 出破裂的主要原因的由于口 模内部的摩擦。
LDPE
HDPE
加 长 口 模 对 减 少 HDPE 挤 出 破 裂 不 利 , 因 为 , HDPE挤出破裂的主要原因的由于口模内部的摩擦。
1. Bulk Mold Composite (BMC) 2. Sheet Mold Composite (SMC)
Thixotropy of Paint
好的涂料: 受剪切时粘度小 剪切停止时,粘度迅速回复;
Poor leveling(流平性):
剪切力随时间的变化
Sagging(流淌)on a vertical wall or thickness of wet layer:
为什么LDPE和PS在高剪切应力下不发生滑动?
LDPE
HDPE
Shapes of experimental flow curves with no (a), one (b) and two (c) oscillation regimes, and with an oscillation regime with no left branch (d). The latter shape is observed with certain viscoplastic materials, such as food products.

聚合物流变学

聚合物流变学

聚合物流变学的学习与心得体会通过一学期的聚合物流变学的学习,使我对其有了初步的了解。

现在针对平时学习笔记和课后浏览相关书籍所获知识进行总结。

一、聚合物流变学学习内容1. 流变学中的基本概念流变学是研究材料的流动和变形规律的科学,是一门介于力学、化学、物理与工程科学之间的新兴交叉学科。

聚合物随其分子结构、分子量的不同,以及所处温度的不同,可以是流体或固体,它们的流动和变形规律各不相同,也即有不同的流变性能。

聚合物流变学是研究聚合物及其熔体的变形和流动特性。

1.1 粘弹性流体特性及材料流变学分类粘性流体的流动是:变形的时间依赖性;变形不可恢复(外力作的功转化为热能);变形大,力与变形速率成正比,符合Newton's流动定律。

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。

流体→流动→粘性→耗散能量→产生永久变形→无记忆效应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。

固体→变形→弹性→储存能量→变形可以恢复聚合物流动时所表现的粘弹性,即有粘性流动又有弹性变形,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。

材料流变学分类⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧==⎩⎨⎧⋅=⋅=⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧==∞=⎩⎨⎧⋅=⋅=)),,(()),,((.3.2())((.1)),,(.30,(.2))((.1t f t f t f G G G G E γγσγγσγησγγησγγσγγγσγσ 非线性线性粘弹性流体无粘性牛顿流体)线性非线性粘性流体流体非线性线性(粘弹性固体)刚体非线性)为常数、线性(弹性固体固体 其中非牛顿流体⎩⎨⎧粘弹性流体广义牛顿流体非牛顿流体 基本变形方式:拉伸(压缩)、剪切、膨胀。

高分子加工工艺 第四章 聚合物流变学基础

高分子加工工艺 第四章 聚合物流变学基础

4.3 拉伸粘度
如果引起流动的应力是拉伸应力,则: 拉伸粘度:



:拉伸应变速率 :拉伸应力或真实应力

拉伸应变:
dl l ln l0 l l0
l
拉伸应变速率:
d dt

d [ln l dt
l ] 1 dl
0
l dt
所以:剪切流动与拉伸流动是有区别的。
剪切流动与拉伸流动的区别:
剪切流动是流体中一个平面在另一个平面的滑动;
拉伸流动则是一个平面两个质点间距离的拉长。
拉伸粘度随拉应力方向(单向或双向)而不同。 拉伸粘度随拉伸应变速率的变化趋势与假塑性流
体有所不同。拉伸粘度与拉伸应变速率关系的复杂 性和多样性。
4.4 温度和压力对粘度的影响
在给定剪切速率下,聚合物的粘度主要取决于实现分子位 移和链段协同跃迁的能力以及在跃迁链段的周围是否有可 以接纳它跃人的空间(自由体积)两个因素,凡能引起链段跃 迁能力和自由体积增加的因素,都能导致聚合物熔体枯度 下降。
由图看出,在很低的剪切速 率内,剪切应力随剪切速率 的增大而快速地直线上升, 当剪切速率增大到一定值后, 剪切应力随剪切速率增大而 上升的速率变小。但当剪切 速率增大到很高值的范围时, 剪切应力又随剪切速率的增 大而直线上升。
可将聚合物流体在宽广剪切速率范围内测得的流动曲线划 分为三个流动区:
第一流动区,也称第一牛顿区或低剪切牛顿区。 该区的流动行为与牛顿型流体相近; 有恒定的粘度,而且粘度值在三个区中为最大。 零切粘度或第一牛顿粘度,多以符号η0表示。 糊塑料的刮涂与蘸浸操作大多在第一牛顿区所对应的 剪切速率范围内进行。
α交联反应进行的程度
③受热时间的影响: 流度随受热时间的延长而减小,即热固性聚合物在完全熔融后其 熔体的流动性或流动速度均随受热时间延长而降低。

聚合物流变学绪论

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)
(二)、
与加工的关系 研究聚合物的流变性质,对正确选择加 工工艺条件和配方设计有重要意义。加工 条件一般包括温度、流变速率、牵伸比、 加热与冷却速率等。我们以温度、剪切速 率为例说明。
可见,不同聚合物的η——T,η——r曲线
斜率不同,斜率大,依赖性强,图1-5,PC、 PMMA,温度升高50度,η可以下降得很快, 而PE下降较慢,图1-6却相反,PC对r基本 不变,PE等下降很快。所以在成型加工中 调节流动性时,对于PC、PMMA等分子链 较刚硬、分子间作用力较大的聚合物,可 通过改变温度来调节,而对于PE等柔性高 分子,改变温度效果不明显,通过调节成 型加工速率来得更快,效果更明显。(解释 粘度与温度压力的关系)


广义而言,流动与变形是两个紧密相关 的概念,在时间长河中,万物皆流,万物 皆变。流动为广义的变形,而变形是广义 的流动,两者差别在于外力作用时间的长 短及观察者时间的不同
2. 流变学发展历史
流变学是在20世纪20年代随着土木建筑工程、机械、 化学工业的发展需要而形成的。一些新材料的开发 和应用,使传统的弹性力学和粘性理论已不能完全 表征它们的特性。 公元前1500年,已有肤浅的认识,埃及人发明了一种 “水钟”,用以观测定容器内水层高度与时间关系 以及温度对液体粘度的影响。 16---18世纪,发展较快。伽利略提出了液体具有内聚 粘性,胡克建立了弹性固体的应力——应变关系; 牛顿阐明了流体阻力和切变速率之间的关系。

本章内容 聚合物熔体剪切粘度的影响因素 聚合物熔体的压力流动

本章内容 聚合物熔体剪切粘度的影响因素 聚合物熔体的压力流动

高分子材料成型加工
POLYMER MATERIALS PROCESSING
5.3.2 温度的影响
聚合物熔体的粘度随温度的升高而下降。 聚合物熔体的粘流活化能越大,其粘度对温度越敏感; 当温度升高时,其粘度下降越明显。 例:聚合物熔体粘度对粘流活化能的敏感性 敏感性微弱:PE、POM 敏感性较高:PC、PMMA
高分子材料成型加工
POLYMER MATERIALS PROCESSING
5.1.2 非牛顿型流动
剪切流动是聚合物加工过程中最简单的流动形式,按剪 切应力与剪切速率的关系,可以分为牛顿型流动和非牛顿 型流动。 (1)牛顿型流动 流体粘度不随剪切速率或剪切应力而变化的粘性流体称 为牛顿流体。其流变方程为:
高分子材料成型加工
POLYMER MATERIALS PROCESSING
5.2.6 次级流动
当聚合物流体在均匀压力梯度下通过非圆形管道流动时 ,除了纯轴向流动外,可能出现局部区域性的环流,称为 次级流动或二次流动。聚合物流体在通过截面有变化的流 道时,有时也发生类似现象。
高分子材料成型加工
POLYMER MATERIALS PROCESSING
高分子材料成型加工
POLYMER MATERIALS PROCESSING
5.4 聚合物流变性能测定
流变仪以及相关的流变模拟软件能够将各种边界条件下 可测量的物理量 ( 如压力、扭矩、转速、频率、线速度、 流量、温度等 ) 与描述聚合物流变性质但不能直接测量的 物理量 ( 如应力、应变、应变速率、粘度、模量、法向应 力差系数等)关联起来。
高分子材料成型加工
POLYMER MATERIALS PROCESSING
5.2.3 Barus效应

聚合物流变学导论

聚合物流变学导论

聚合物流变学导论Polymer Rheology Heraclitus (赫拉克利特, 纪元前五世纪的希腊哲学家)“Everything Flows”(万物皆流)Rheology?“Rheo”在希腊语里是流动的意思。

Rheology is “the study of the flow and deformation of all forms of matter.”E. C. Bingham, M. ReinerApril, 29, 1929Rheology,a branch of mechanics,is the study of those properties of materials which determine their response to mechanical force.The word rheology was coined in the1920‘s to represent the science of the deformation and flow of matter.flow:当变形的程度随时间而连续变化时,就成为流动。

Isaac Newton(1643-1727)流动Î液体Î粘性Î耗散能量Î产生永久变形Î无记忆效应ÎNewton’s定律Î时间过程σ=η0&γRobert Hooke(1635-1703)deformation:是指施加适当的力系于物质上而使其形状或大小发生变化。

变形Î固体Î弹性Î储存能量Î形变可以恢复Î有记忆效应ÎHooke’s定律Î瞬时响应σ=Eε弹性粘弹性粘性理想弹性体理想粘性体实际材料:沥青、黏土、橡胶、石油、蛋清、血浆、食品化工原料、泥石流、地壳、高分子材料等。

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。

聚合物流变学复习资料

聚合物流变学复习资料

1.流变学是研究材料流动和变形的科学2.流体黏度就是分子间的内摩擦力的宏观度量。

是流体体内部抵抗流动的阻力,用流体的剪切应力与剪切速率之比表示。

剪切变形:具有横向速度梯度场的流动。

拉伸变形:具有纵向速度梯度场的流动3.和应力历史无关的非牛顿流体称为广义牛顿流体,它包含三种:假塑性流体:(n<1)其黏度随剪切速率增加而减小(剪切变稀),大多数聚合物浓溶液都属于这一流体。

膨胀性流体:(n>1)在定常态剪切流动中,起黏度随剪切速率增加而增加(剪切增稠),再加入大量填充剂的体系和某些聚氯乙烯糊能见到这种流体。

宾汉流体:细砂的悬浮液,泥浆、牙膏,唇膏,棒状发蜡,无水油滑霜,粉底霜和胭脂等。

4.有时效的非牛顿流体:1).触变流体:在恒定的剪切速率下,其黏度随剪切作用时间的增加而降低。

涂料、印刷油墨、番茄酱2).震凝流体:在恒定的剪切速率下,其黏度随剪切作用时间的增加而增大。

如碱性的丁腈橡胶的乳液悬浮液3).黏弹性流体:兼具有黏性和弹性效应的流体,其力学行为可用黏性和弹性两种来组合表达。

5.幂律方程:n为流动指数 k为稠度 n=1牛顿流体 n<1,为假塑性流体 n>1,为膨胀流体。

7.剪切敏感小的聚合物:聚碳酸酯(PC)、聚砜、共聚甲醛(PA)、聚酰胺(POM)剪切敏感大的聚合物:聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)8. 对温度敏感: PS、PC、PMMA等。

对温度不太敏感: PE、PP、POM等;对高密度聚乙烯、聚丙烯、共聚甲醛,升高温度引起熔体黏度下降程度较小;对聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯,温度升高会使熔体黏度有较大的下降。

9、相对分子质量分布宽的聚合物熔体比窄的有更大的剪切敏感性,长支链越多,剪切敏感性越大。

1.聚氯乙烯的凝胶化:低温下,在热和剪切作用下颗粒崩解成初级粒子;随着温度的升高,初级粒子受到剪切作用而被粉碎,当温度更高时,初级粒子全部被粉碎,晶体熔化,边界消失,形成三维网络的过程。

聚合物的流变性.ppt

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。

高分子物理---第九章聚合物的粘性流动

高分子物理---第九章聚合物的粘性流动

聚合物的熔融指数 Melt index ——简称MI
在一定的温度下和规定负荷下, 10min内从 规定直径和长度的标准毛细管内流出的聚合物 的熔体的质量, 用MI表示, 单位为g/10min.
对于同种聚合物而言, 熔融指数越大, 聚合 物熔体的流动性越好. 但由于不同聚合物的测 定时的标准条件不同, 因此不具可比性.
长支化时, 相当长链分子 增多, 易缠结, 从而粘度 增加
(5) 熔体结构的影响
当分子量相同时, 当T在160~200℃时,η乳液PVC<η悬浮PVC 当T>200℃时, η乳液PVC≈η悬浮PVC 此时,乳液法PVC中颗粒已完全消失,因而
粘度差别不大。
影响熔体粘度的因素
9.1.6 高聚物流体流动中的弹性表现
logloglog Kn loglogKnlog
log 第一牛顿区
幂律区 假塑区
第二牛顿区
I
II
III
lo g
表观粘度和剪切速率的关系
第一牛顿区
a 0
零切粘度
幂律区 假塑区
第二牛顿区
I
II
III
lo g

牛顿极限粘度
请从分子链缠结的概念出发解释高聚物的流动曲线
高聚物流体是一种兼有粘性和弹性的液体. 特别是 当分子量大, 外力作用时间短或速度很快, 温度在 熔点以上不多时, 弹性效应显著 ( ? )
Weissenberg 韦森堡效应(亦称法向效应或 爬杆效应) Balus 巴拉斯效应(亦称挤出涨大)
不稳定流动
一、法向应力效应
法向应力效应是由韦森堡首 先发现的,因此又称之为韦 森堡效应,其现象如果用一 轴在高分子熔体或溶液中快 速搅拌,高分子熔体或溶液 液面变化与小分子相反,熔 体或溶液受到向心力作用, 液面在转轴处上升,在转轴 上形成较厚的包轴层,故也 称为包轴现象。

第三章 聚合物流体的流变性能

第三章 聚合物流体的流变性能
1.1 1.0 0.9 0.8
0.7 0.6 0.5 0.4 20 40 60
加工温度应超过100℃


80
100
120
140
T/ C
o
当已知某切片的最佳成型温度和 时,即可用流动曲线查 出熔体粘度,然后将已知 和查出的用于另一种聚合物的 流动曲线上,即可找出另一种聚合物的最佳成型温度,这 在生产上是非常有用的。
(2) 对流动曲线的影响
图:硝化纤维素在醋酸丁酯溶液中的流动曲线 聚合物质量分数:1-0% 2-0.125% 3-0.25% 4-0.5% 5-1% 6-2% 7-4%
C↑
ѓ cr ↓
n↓
3. 温度的影响
(1)对0 (或)的影响
图 PP和PET熔体粘度的温度依赖性 r =102s-1 PP[] =1.56 PET[]=0.65
1.大分子链间缠结点的解除
拟网络结构理论:聚合物流体中的 缠结点具有瞬变性, 可不断拆散和 重建,并在某一特定条件下达到动 态平衡,因此,此种流体可看成瞬 变网络体系。 ѓ(σ) ↑, 缠结点浓度↓ 2.大分子链段取向效应 a ↓
图:聚乙烯熔体的流动曲线
ѓ ↑, 链段取向↑ 流层间牵曳力↓
3.大分子链的脱溶剂化(浓溶液情况)
以稳态简单拉伸流动为例: “稳态”是指聚合物流体 的任何一点都具有各自 恒定的状态参数,不随 时间而变化.
拉伸粘度ηe=
拉伸应力σ11
拉伸应变速率έ
对粘弹性的非牛顿流体: 1 ηe= 3 η0 (1+τ έ )(1-2τ έ )
洛奇模型
当τ =0或έ很小时, ηe= 3 η0
牛 σ ↑, 脱溶剂化↑ 大分子链有效尺寸↓
切力增稠的原因

第四节 拉伸粘度与动态粘度.ppt

第四节 拉伸粘度与动态粘度.ppt

假设在小振幅下,材料为线性体,对材料施加正弦 变化的应变
=0Sinωt 式中: 0为小振幅,ω为周圆频率,即角频率。
当用复数表示的周期性变化的应变则为复数应变*: *=0·eiωt
复数的应变速率: =d*/dt=iω0eiωt
➢ 对于理想的弹性体,其应力响应为:
*=E0eiωt
应力与应变同相位
➢ 对于理想的粘性体,其应力响应为:
*=ηiω0eiωt =ηω0 应力相位超前应变90
➢ 对于弹粘性体,其应力响应为:
*=0ei(ωt+)
应力相位比应变超前δ已知: Nhomakorabea和*即可定义复数模量G*
G*=*/*=0/0·eiδ= G+iG 式中:G=0/0·cosδ称为动态模量或信者能模量,表示弹 性部分;G″=0/0·sinδ称为动态损耗或损耗模量,表 示粘性部分。
根据复数应力和复数应变速率可得复数粘度η*,
η* =*/ =(0/iω0)·eiδ =0/iω0·(cosδ+isinδ) =0/ω0·sinδ-i·(0/ω0)·cosδ =η-iη″
动态粘度:
➢ η=0/iω0·sinδ=G″/ω 与损耗模量有关,表示 粘性的贡献, 是复数粘度中的能量耗散部分;
特鲁顿关系式: 单轴拉伸粘度ηe为其剪切粘度的三倍
ηe=3η
x-y平面的双轴均匀拉伸: εx=εy=ε
则zx=τzy=ε,称为双轴拉伸粘度。 研究证明,对牛顿流体
=2ηe=6η
二、动态粘度
聚合物流体是非牛顿性的粘弹性液体,在流动过程 中既表现出随时间而持续发展的不可逆的粘性形变, 又具有可以恢复的弹性形变。通常,对于这种非牛顿 性的粘弹性体在剪切中可用粘度来衡量其粘性的大小, 而用法向应力差或挤出胀大等来恒量其弹性,当用动 态力学实验的方法,即在正弦交变的应变(或应力)的作 用下,可同时测得材料的粘度和弹性模量.
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Influence of extensional hardening to foaming炭黑对橡胶性能的影响1.炭黑作为橡胶的补强剂,提高模量,断裂强度,耐磨性等具有重要作用;2.炭黑对橡胶的熔体剪切粘度,拉伸粘度有重要影响,因此对加工行为有重要影响;3.不同种类的炭黑具有不同的性质,如比表面积,结构性等,对橡胶的影响各不相同,因此,需要考察炭黑对拉伸性能的影响.炭黑对丁苯橡胶拉伸粘度的影响从图可见,该曲线与聚乙烯、聚苯乙烯熔体的拉伸流动曲线有区别,即使在最低的ε =1.8×10-4s -1也没有稳态粘度的趋势,反而持续上升,这是应变硬化的结果。

不存在稳态粘度,橡胶在外力拉伸作用下发生结晶,导致拉伸粘度提高.炭黑用量对丁苯橡胶拉伸流动的影响图(a)1.炭黑用量增加,拉伸粘度升高,2.在较低的伸长率下断裂。

图(b)1.拉伸粘度随炭黑用量减小和拉伸速率增大而降低,2.同时随拉伸速率增大,不同炭黑用量的胶料之间,其粘度差别缩小,这与炭黑用量对剪切粘度的影响所得结果相似。

这可能与在高应变速率下炭黑网络受破坏有关。

在炭黑用量、结构性相同的条件下,炭黑表面积对丁苯橡胶拉伸粘度的影响如图所示:从图可见,随着炭黑表面积增大(N234>N347>N351>N550),粘度增大。

在炭黑用量相同,表面积相近的条件下,炭黑结构性对拉伸粘度的影响如图所示: 从图可见,随着结构性增高(N347>N330>N326),拉伸粘度有所提高,但流动曲线形状不变。

炭黑表面积和结构性对丁苯橡胶拉伸流动的影响1.从上述结果可见,表面积大的炭黑,其胶料在拉伸流动过程中易产生我们需要的应变硬化效应,而结构性的改变,对应变硬化效应影响很小。

据此,科顿等建议,‘采用结构性较低而表面积较大的炭黑(如低拉伸中超耐磨炉黑N231)较好。

2.因为结构性低,有效体积较小,剪切粘度较低,而表面积较大(粒径小)则拉伸应变硬化效应较强。

这样的混炼胶对某些加工过程有利.含N330和N23l的丁苯混炼胶与含N330的天然橡胶的拉伸流动曲线1.当伸长率为300%(即ε=1.4)时,含N23l的丁苯混炼胶的应力比含N330的高30%,可见N231较好,这是因为N23l的表面积比N330的大。

2.在室温条件下,天然橡胶混炼胶比丁苯橡胶混炼放有高得多的扯断应(5000kPa)和扯断伸长率(ε=2.4)。

天然胶料在室温条件下当伸长率超过300%时,其应力—应变曲线陡然上升,这是应变结晶的结果,而100o C时是没有强烈应变硬化效应的。

中岛认为,对于炭黑与橡胶之间的混炼,希望产生应变硬化,以便分散。

为此,耍提高密炼机转子的转速,并且转子凸棱与室壁之间的间隙要小些,采用低温或分段混炼。

拉伸流变行为的研究方法•Stretching method•Spinning•Converging flow method•Capillary break up•Stretching method Stretching techniquesz A Filament Stretching ExtensionalRheometer is used to measure thetransient extensional viscosity of fluidswith varying polymerconcentrations.z The diameter of the stretching filamentis monitored using a planar LASERdevice allowing a computer-ontrolledmotor to maintain a constant extensionrate acting on the fluid.z An extremely sensitive force tranduceris attached to the upper fluid platesample holders, and is used to measurethe force acting on the filament.z Advantages:1.The process allows the extensionalviscosity to be measured in anearly shear-free flow.2.Experiments can be run at a variety ofextension rates and can reach relativelylarge Hencky strainsStretching techniques(1) 恒拉伸速率测定法,即给定ε,测δe 。

例如Ide—White extensionaI , 测单丝,单丝长约21.5cm ,其一端由夹持器夹紧,另一端固定在卷绕Roller 上,并置于硅油浴槽内,用加热装置将丝条熔化,卷绕Roller 以恒速转动将丝牵引,熔体张力记录在记录仪上,主要用于测定胶料的拉伸粘度。

.(1) 恒拉伸速率测定法,即给定ε,测δe 。

(2) 恒拉伸应力测定法,即给定δe , 测ε。

这要求外加拉力随拉仲断面积的减少而自动减小。

.For the experiment shown below, the fluid relaxation time is 3.8seconds, giving a Deborah Number De = 2.5. As a result, the material should initially look like a Newtonian sample, then look more and more elastic as the polymer chains begin to align and stretch out in the flow. Termed "strain hardening ," the extensional viscosity will begin to increase. The extensional viscosity is often non-dimensionalized with the shear viscosity. This ratio is called the Trouton Ratio . For a Newtonian fluid, the Trouton ratio Tr =3.1.The response of the fluid to the imposed strain rate is a function of the relative magnitude of the strain rate to the relaxation time of the fluid . This relationship is called the Deborah number (De), which is the ratio of the characteristic response time of a fluid to the characteristic flow time.2.A large De means that the fluid cannot keep up with the deformation rate.In other words, the material will look more elastic that viscous, and responds more like a Hookian spring. Similarly, De << 1 means that the fluid is essentially all viscous (i.e. Newtonian). For 0.5 < De < 10, the fluid exhibits both viscous and elastic behavior, andis thus a region of interest.Deborah number (De)Trouton ratiothe shear viscosityextensional viscosity To describe strain hardeninghe non-Newtonian fluid initially reaches a Tr =3, then increases by 3 orders of magnitude. After the deformation halts, the polymer chains relax, cause the stress and hence the Trouton ratio to decrease. Because the material has strain-hardened, the filament radius remains constant for several seconds after cessation of stretching.丝条半径保持不变Tr=1000Tr=3恒应力法(2) 恒拉伸应力测定法,即给定δe , 测ε。

这要求外加拉力随拉伸断面积的减少而自动减小。

.const t A t F t e ==)()()(δz The Rheotens measures the extensional properties of polymer melts by drawing a vertical melt strand at a constant pull-off speed or with a linear or exponentially accelerating velocity .z The Rheotens measures the forces needed to elongate the strand and calculates elongational stress, draw ratios, rate of elongation and elongational viscosity.The polymer melt is drawn downward from the die by a pair of counter rotating wheels mounted on a balance beam. The tensile force applied on the strand during extension is plotted against time or velocity of the wheels. The velocity of the wheels accelerates until the polymer strand breaks and the force at which the polymer melt breaks is defined as the melt strength .Fiber Spinning:Göttfert melt strength (熔体强度) testerFiber Spinning: Spinning Viscosity1.The principle of the fibre spinning method is to measurethe force required when stretching an extrudate under specified haul-off conditions. From the response of the material to the stretching deformation and the forcemeasured, approximate extensional viscosities can be determined. As indicated in an intercomparison the results obtained are dependent on the precise operation of the instrument and subsequent analysis of the raw data. Furthermore, the "melt strength" can be determined -a measure of the extensional response of the material at high strains -and is suitable for quality control type applications.2.Data derived from the draw-down of the extrudate in amelt flow rate test has recently been correlated successfully with tensile stress growth coefficient data obtained from stretching measurements. The benefits of this simple technique have been demonstrated in an industrial case study indicating that it has considerable potential for quality control type applications.Stretching 和Fiber Spinning拉伸的比较Converging flow methods:用类似于毛细管流变仪(剪切流变仪) 测量拉伸流动Extensional viscosity might be obtained from the measurement of pressure drop and flow rate in a converging flow. 实验简单,数据处理麻烦,不能研究拉伸硬化行为.拉伸粘度的测量以上介绍的是聚合物熔体或橡胶的拉伸流变实验,聚合物溶液,悬浮液,胶体的拉伸流变行为较难研究Capillary Breakup RheometryCapillary BreakupStretching and Breakup of Polymeric Liquids in a Microfilament Rheometer A microfilament rheometer (MFR) that can be used to readily differentiate between the response ofdifferent fluid formulations. The device relies on a detailed observation of the rate of extensional thinning of a Newtonian or a viscoelastic fluid filament and provides a direct measurement of the ultimate time to break-up of the fluid filament.Measurements are performed in a controlled temperature and environmental conditions. We consider four different classes of entangled polymer liquids that are of importance commercially including (i) pressure sensitive adhesives, (ii) branched and linear polymer melts, (iii) concentrated polymer solutions and (iv) aqueous solutions of associating polymers such as HEUR (Hydrophobically modified urethane-ethoxylate). We observed that the breakup dynamics in these liquids depend on the extensional viscosity, on molecular parameters such as the chain-length, entanglement density or degree of chain branching,and on external factors such as solvent volatility. Varying these factors changes the dominant time scales in the extensional flow.For example, pressure sensitive adhesives are elastically stabilized against break up and are 'tacky' if the solvent evaporation rate λ-1evap = h/R 0(where h is the mass transfer coefficient for the solvent and R 0is the initial radiusof the filament) is significantly larger than the stress relaxation ratel -1whereas they are 'non-tacky' and undergo capillary breakup if the evaporation rate is much slower than the capillary necking rate λ-1neck = σ /η0R 0)( where σis the surface tension and η0is the zero shear viscosity). In the case of associative polymers, the breakup mechanism also depends on the concentration of micelles and the ionic surfactant strength.Elasto-Capillary Thining in a Microfilament Rheometer,Test Fluid: Glycerin entov_glycerin.avi (1.6 MB)Elasto-Capillary Thining in a Microfilament Rheometer, Test Fluid: HEUR (Associative Polymer) entov_heur.avi (1.6 MB)Elasto-Capillary Thining in a Microfilament Rheometer, Test Fluid: Pressure Sensitive Adhesive (PSA) entov_psa.avi (2.3 MB)VideosPolystryene with Clay Particles0% Clay3% Clay10% ClayApplication in Food industry ---Dannon YogurtOpen Stretch BreakThe difference in fluid property of regular and non-fat yogurt is evaluated to understand the effect of milk fat suspended in yogurt.(剥离)研究Peeling (剥离)的意义1.对粘合剂的性质进行研究:研究剥离现象;2.必须避免拉伸实验中出现类似的问题: 一旦出现,无法判断实际受力面积.The buckling instability, which occurs on the plates of the lament stretching device, can seriously compromise the utility of the device unless measures are taken to prevent it.Development of the buckling instability, after Spiegelberg and McKinley's gure . The dash-dot curves represent streamlines.1.Fluid is drained from the 'foot' of the column to feed the extending column.2.The reservoir next to the column is depleted, at which time the foot begins to break up into fibrils. As the reservoir at the foot of the column is drained, the streamlines becomeincreasingly more curved. Eventually, the tension in the streamlines is so great it overwhelms the adhesive force holding the column to the plate. This causes the center of the foot to detach from the plate, leaving the fibrils attached to the outer edge.3.These brils migrate to the outer edge of the plate and can themselves developsecondary and tertiary instabilities.Mechanism: curvature of the streamline。

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