第六章高分子液体的流变性
高分子的流变特性
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。
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
剪切应变
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
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
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)
高分子材料的流变性能与动力学行为研究
高分子材料的流变性能与动力学行为研究高分子材料是当代材料科学中的重要一环，其广泛应用于塑料、橡胶、纤维等多个领域。
了解高分子材料的流变性能以及其动力学行为，对于优化材料制备过程、提升材料性能具有重要意义。
本文将针对高分子材料的流变性能与动力学行为进行探讨。
一、高分子材料的流变性能研究方法1. 流变仪测量流变仪是研究高分子材料流变性能的重要工具，在实验室中得到广泛应用。
通过对高分子材料进行剪切或挤出等力学加载，流变仪可以实时监测和记录材料的变形过程。
从流变曲线中可以提取出粘弹性参数，如剪切模量、流变指数等，用于表征材料的形变特性。
2. 分子动力学模拟分子动力学模拟是一种基于物理力学原理，模拟高分子材料分子间相互作用和运动行为的计算方法。
通过分子动力学模拟，可以得到高分子材料的微观结构和动态特性，从而揭示材料在宏观层面上所表现出的流变性能。
二、高分子材料的流变性能研究结果与分析1. 高分子材料的流变行为在流变性能研究中，高分子材料常常表现出非线性和时变等特点。
例如，高分子材料的应力-应变曲线在低应变范围内呈现线性行为，但在较大应变下则会出现非线性变形。
此外，高分子材料还存在着时变性能，即随着加载时间的延长，材料的流变性能会发生变化。
2. 高分子材料的黏弹性行为高分子材料同时具有固体和液体的特性，呈现出黏弹性行为。
在小应变下，高分子材料表现出固体的弹性特性，而在大应变下，材料则表现出液体的流动行为。
这种固液相互转换导致了高分子材料的黏弹性，使其在应用中可以同时满足强度和变形需求。
3. 高分子材料的温度对流变性能的影响温度是影响高分子材料流变性能的重要因素之一。
随着温度的升高，高分子材料的粘度会降低，流动性能增加；而在低温下，材料可能会变得脆性。
因此，合理控制材料的温度可以调控其流变性能，提高其加工性能和应用性能。
三、高分子材料的动力学行为研究1. 高分子材料的分子间相互作用高分子材料的流变性能与其分子间的相互作用密切相关。
高分子熔体的流变性
高分子熔体属于非牛顿流体的范畴， 其流动行为不符合牛顿流体的线性关 系。
流动曲线与粘度曲线
非牛顿流体的流动曲线和粘度曲线通 常呈现出非线性特征，可以通过流变 实验进行测定和分析。
弹性与塑性表现
高分子熔体的弹性
01
高分子熔体在流动过程中表现出一定的弹性，即在外力作用下
发生形变后能够部分恢复。
高分子熔体组成
由长链状大分子和少量添 加剂（如增塑剂、稳定剂 等）组成。
高分子熔体分类
根据来源和性质不同，高 分子熔体可分为热塑性熔 体和热固性熔体。
流变性研究意义及应用
研究意义
流变性是高分子熔体的重要物理性质，对其加工性能和产品质量具有重要影响。 通过研究高分子熔体的流变性，可以优化加工工艺、提高产品质量、降低生产 成本。
理论计算方法
结果分析与讨论
采用数值模拟方法对高分子熔体流动 行为进行理论计算，如有限元法、有 限差分法等。
对理论计算和实验结果进行分析和讨 论，探究高分子熔体流动行为的内在 规律和影响因素。
实验验证方法
通过实验手段对高分子熔体流动行为 进行验证，如流变仪测试、毛细管流 变实验等。
04 高分子熔体加工过程中的 流变性
现代流动理论发展
分子链缠结理论
高分子链之间的缠结作用对熔体 流动行为产生重要影响，缠结程 度与分子量、分子链结构等因素
密切相关。
蠕虫状链模型
该模型将高分子链视为由一系列蠕 虫状链段组成，可描述高分子熔体 的非线性粘弹性行为。
瞬态网络理论
高分子熔体在流动过程中形成瞬态 网络结构，该理论可解释高分子熔 体的触变性、震凝性等现象。
03 高分子熔体流动模型与理 论
经典流动模型介绍
高分子液体的流变性
表6-2 一些高分子材料体系的粘流活化能
聚合物 天然橡胶 Eη / kcal· mol-1 0.25 Eη / kJ· mol-1 1.04 聚合物 PS Eη / kcal· mol-1 22~23 Eη / kJ· mol-1 92~96
顺丁橡胶
丁苯橡胶
2.3
3.1
9.6
12.9
PC
PVC
26~30
高分子熔体和溶液具有流变性，是高分子材料可以加工成 型不同形状制品的依据。
流动 流变性 变形
粘性， 不可逆过程， 耗散能量 非线性粘弹性
弹性， 可逆过程， 储存能量
研究聚合物的流变规律性，对于聚合反应工程和聚合物加工 工艺的合理设计、正确操作，对于获得性能良好的制品，实 现高产、优质、低耗具有重要指导意义。
流动曲线的差异归根结底反映了分子链结构及流动机理的 差别。一般讲，分子量较大的柔性分子链，在剪切流场中易 发生解缠结和取向，粘-切依赖性较大。长链分子在强剪切场 中还可能发生断裂，分子量下降，也导致粘度降低。
（二）分子结构参数的影响
主要参数为超分子结构参数，即平均分子量、分子量 分布、长链支化度。 1、平均分子量的影响
35~40
108.3~125
147~168
丁腈橡胶
聚二甲基 硅 氧烷 HDPE LDPE PP PP(长支 链较多)
5.42
4.0 6.3～7.0 10～12.8 10～11 11～17
22.6
16.7 26.3 ～ 29.2 41.9～ 53.6 41.9～46 46～71.2 醋酸纤维素 ABS(20%橡胶) ABS(30%橡胶) ABS(40%橡胶) 70 26 24 21 293.3 108.3 100 87.5
第六章流变学
从微观结构上来看，胀性体系的悬浮体是高浓度的，固含 量高达40%以上，润湿性能良好；震凝性体系的固含量很 低仅1-2%左右，而且粒子完全不是对称性的，因此形成凝 胶完全是粒子定向排列的结果。但震凝性体系并不很多。
触变性是指一些体系在搅动或其他机械作用下，能使凝胶 状的体系变成流动性较大的溶胶，静置一段时间后又恢复 原来的凝胶状态。超过一定浓度的Fe(OH)3、V2O5溶胶以 及粘土泥浆、油漆等均有这种性质。
8.2 粘度的测定
测定粘度是研究流变学的最基本方法，测定方法有多种， 如落球法、振动法、毛细管流动法和转筒法等。
8.2.1 毛细管粘度计---液体的管式流动
毛细管粘度计是测定粘度的最常用方法之一。其基本原理 是在一定压力下液体通过一定长度和半径的毛细管，测定 它的流速就能计算液体的粘度。
常见的毛细管粘度计有Ostwald型和Ubbelohde型两种。
只有悬浮体粒子浓度达到彼此可以相互接触时才会有塑性 现象。
8.5
假塑性体系 羧甲基纤维素、淀粉、橡胶等高分子溶液均为假塑性体 系。
特点是体系没有屈服值，流变曲线从原点开始，粘度不 是一个固定不变的常数。
与牛顿流体的差别在于有不对称取向，在高切速率下转 而定向，粘度不再变化。
8.6 胀性体系
达到新平衡所需的时间叫做松弛时间，此过程叫松弛过程。 在外力作用下，体系内部会有应力产生，开始时应力很大， 然后随时间应力逐渐松弛下来，这个过程叫应力松弛效应。
8.8.2 Weissenberg效应
Weissenberg效应是粘弹性的另一重要特征，1947年提出。 如果搅棒在粘弹性液体内搅动，液体会沿着棒向上爬， 爬的高度决定于液体的粘弹性和棒的旋转速率，这种能 克服地心引力和本身旋转离心力而又与切力方向无关的 现象，称为
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。
高分子液体的奇异流变性能
这些现象都与高分子液体
的弹性行为有关，这种液 体的弹性性质使之容易产 生拉伸流动，而且拉伸液 体的自由表面相当稳定。 实验表明，高分子浓溶液 和熔体都具有这种性质， 因而能够产生稳定的连续 拉伸形变，具有良好的纺 丝和成膜能力。
各种次级流动
研究表明，高分子液体在均匀梯度下通过非圆形管道流动时， 往往在主要的纯轴向流动上，附加出现局部区域性的环流， 称为次级流动，或二级流动，在通过截面有变化的流道时， 有时也发生类似的现象，甚至更复杂的还有三次、四次流动 等。一般认为，牛顿型液体旋转时的次级流动是离心力造成 的，而高分子液体的次级流动方向往往与牛顿型液体相反， 是由粘弹力和惯性力综合形成的。这种反常的次级流动在流 道与模具设计中十分重要。
力的性质（剪切力或拉伸力）、大小及作用速
率等。下面介绍九种著名的高分子特征流变现 象。
高粘度与“剪切变稀”行为 Weissenberg效应 挤出胀大现象 不稳定流动和熔体破裂现象 无管虹吸，拉伸流动和可纺性 各种次级流动 孔压误差和弯流压差 湍流减阻效应 触变性和震凝性
高粘度与“剪切变稀”行为
孔压误差和弯流压差
测量流体内压力时，若压力传感器端面安装得低于流道壁面，形成凹 槽，则测得的高分子液体的内压力将低于压力传感器端面与流道壁面 相平时测得的压力，如图中有Ph< P,这种压力测量误差称孔压误差。 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，测得压力值相等。高分子液体有孔压误差现象，其产生原 因被认为在凹槽附近，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
与剪切变稀效应相对的是剪切变稠相应，
高分子即液体在流动过程变现出粘度随剪切速 率增大而升高的反常现象，如高浓度的聚氯乙 烯塑料溶胶。
高分子物理高分子物质的配向性和流动性质分析
高分子物理高分子物質的配向性和流動性質分析高分子物理是研究高分子材料性质和结构与物理原理之间相互联系的学科。
高分子物理是材料科学和化学工程中的重要分支领域，它研究的目标是理解高分子物质的行为和性质，为材料设计和工艺提供理论基础。
其中，高分子物质的配向性和流动性质正是高分子物理研究的关键方面之一。
本文将重点介绍高分子物质的配向性和流动性质的分析方法和应用。
一、高分子物质的配向性分析高分子物质的配向性是指高分子链的取向程度和排列规律性。
配向性的提高可以使高分子材料具有更好的机械性能、导电性能和热性能等。
下面将介绍一些常见的配向性分析方法：1. X射线衍射（XRD）X射线衍射是一种常用的用于分析晶体结构的方法，它也可以应用于高分子物质的配向性分析。
通过测量X射线在高分子材料中的衍射模式，可以推断出高分子链的排列方向和取向程度。
2. 偏振显微镜（POM）偏振显微镜是一种通过观察高分子材料在偏振光下的显微图像来研究其配向性的方法。
通过观察材料在不同方向上的偏振光干涉图案，可以判断高分子链的取向程度和排列规律性。
3. 核磁共振（NMR）核磁共振是一种通过测量高分子材料中不同核自旋的共振信号来研究其分子结构和取向情况的方法。
通过对核磁共振信号的分析，可以获得高分子链的取向程度和排列规律性的信息。
二、高分子物质的流动性质分析高分子物质的流动性质是指高分子链在受力作用下的变形和流动行为。
了解高分子物质的流动性质可以为材料的加工和成型提供理论指导。
下面将介绍一些常见的流动性质分析方法：1. 熔体流动性测试熔体流动性测试是一种通过测量高分子材料在一定温度下经过不同剪切速率时的流动性能来研究其流变性质的方法。
常用的熔体流动性测试方法包括毛细流动法、旋转流变法等。
2. 断裂性能分析断裂性能指高分子材料在受力作用下的断裂行为和力学性能。
通过测试高分子材料的拉伸、压缩、弯曲等断裂性能，可以了解其流动性质和力学性能。
3. 动态力学热分析（DMA）动态力学热分析是一种通过测量高分子材料在不同温度和频率下的力学性能来研究其流动性质的方法。
高分子溶液中的流体流动特性
高分子溶液中的流体流动特性引言高分子溶液是指在溶剂中溶解的高分子物质，其具有特殊的流动特性。
高分子溶液的流动特性研究对于理解高分子溶液的性质以及应用于工业生产和科学研究中具有重要意义。
本文将介绍高分子溶液中的流体流动特性，并探讨其在不同条件下的变化规律。
高分子溶液的流动行为高分子溶液中的流动行为受到多种因素的影响，包括高分子的分子量、浓度、溶剂的性质以及温度等。
在高分子溶液中，高分子链的扩展和流动引起了流变性质的变化。
高分子链的扩展高分子溶液中的高分子链存在不同的构象，包括缠绕、拉直和伸展等。
当高分子链在流动中受到剪切力时，链的构象会发生改变，并导致高分子溶液的流动特性的变化。
流变曲线高分子溶液的流变曲线描述了溶液在外力作用下的应变和应力之间的关系。
常见的流变曲线包括剪切应力-剪切速率曲线和应力-应变曲线。
通过分析流变曲线可以获得高分子溶液的黏度、弹性模量和黏弹性等流动特性。
布洛赫方程和弗拉奇方程布洛赫方程和弗拉奇方程是描述高分子溶液流动行为的数学模型。
布洛赫方程适用于低剪切应力下的流动，其中考虑了高分子链的扩展和沙龙机制。
弗拉奇方程适用于高剪切应力下的流动，其中考虑了高分子链的断裂和再组合。
高分子溶液流动特性的影响因素高分子溶液的流动特性受到多种因素的影响，以下是几个常见的影响因素：高分子的分子量高分子的分子量是影响高分子溶液流动特性的重要因素之一。
一般来说，高分子的分子量越大，溶液的粘度越高，流动性变差。
这是因为高分子链的扩展和流动需要消耗更多的能量。
高分子的浓度高分子溶液中高分子的浓度也会影响流动特性。
当高分子浓度较低时，高分子链之间的相互作用较弱，溶液较为稀薄，流动性较好。
当高分子浓度较高时，高分子链之间的相互作用增强，溶液变得较为粘稠，流动性变差。
溶剂的性质溶剂的性质对高分子溶液的流动特性也有影响。
不同的溶剂对高分子链的溶解能力不同，这会影响高分子链的构象和流动行为。
例如，极性溶剂和非极性溶剂对高分子的影响不同。
高分子液体的流变性
粘流活化能
定义：粘流活化能为流动过程中，流动单元（即链段）用 于克服位垒，由原位置跃迁到附近“空穴”所需的最小能 量。 粘流活化能是描述材料粘-温依赖性的物理量。既反映着材 料流动的难易程度，更重要的是反映了材料粘度变化的温度 敏感性。 由于高分子液体的流动单元是链段，因此粘流活化能的大小 与分子链结构有关，而与总分子量关系不大。 一般说来，分子链刚性大，极性强，或含有较大侧基的材料， 链段体积大，粘流活化能较高，如PVC、PC、纤维素等。 与此相反，柔性较好的线型高分子材料粘流活化能较低。
（6-5）
d ln 该公式称幂律方程。式中K 和 n 为材料参数，n d ln 双对数 称材料的流动指数或非牛顿指数，等于在 ln ln
坐标图中曲线的斜率。 K 是与温度有关的粘性参数。
简单讨论
（1）对牛顿型流体，n =1，K = 0； 对假塑性流体，n <1。n 偏离1的程度越大，表明材 料的假塑性（非牛顿性）越强；n与1之差，反映了材 料非线性性质的强弱。 （2）同一种材料，在不同的剪切速率范围内，n 值也不是 常数。通常剪切速率越大，材料的非牛顿性越显著，n 值 越小。 （3）所有影响材料非线性性质的因素也必对n 值有影响。 如温度下降、分子量增大、填料量增多等，都会使材料非 线性性质增强，从而使n 值下降。 填入软化剂，增塑剂则使n 值上升。 （4）幂律方程由于公式简单，在工程上有较大的实用价值。 许多描述材料假塑性行为的软件设计程序采用幂律方程作 为材料的本构方程。
0
（6-2）
剪切粘度——比例系数 0 为常数剪切粘度，又称牛顿粘度， 单位为 Pa· s 或泊。1 Pa· s =10泊
牛顿流体的流动曲线是一条通过原点的直线（见图）。
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。
高分子流体的流变模型课件
高分子流体的流变学基础01总结词源自高分子流体的流变特性和流变模型
02
高分子流体的流变特性
高分子流体在流动过程中表现出粘性、弹性、屈服等流变特性，这些特
性与高分子化合物的分子结构和分子量有关。
03
高分子流体的流变模型
高分子流体在科研领域的应用
高分子流体用于生物医学工程， 如药物载体、组织工程和人工器
官，提高治疗效果和安全性。
高分子流体用于化学反应介质， 调控反应过程，优化反应条件和
提高产率。
高分子流体用作模拟地球深部环 境的介质，研究地球科学中的物
理和化学过程。
高分子流体在其他领域的应用
高分子流体用于食品工业，作为食品添加剂和包装材料，延长保质期和提高食品安 全性。
增加，剪切应力也随之增加。
流动行为的影响因素
03
高分子流体的流动行为受到多种因素的影响，如温度、压力、
分子量等。
高分子流体的弹性行为
弹性模量
高分子流体的弹性模量是描述其 弹性行为的物理量，通常随着剪 切速率的增加而减小。
弹性与粘性的关系
高分子流体的弹性行为和粘性行 为之间存在相互影响，随着剪切 速率的增加，弹性模量减小，粘 性行为更加明显。
生物医学应用
高分子流体在生物医学领域也有广泛应用，如药物输送、组织工程、人工器官等。通过研究高分子流体 的流变行为，可以优化相关应用的性能，提高治疗效果。
THANKS
感谢观看
02
该模型适用于低分子量高聚物溶液和某些非晶态塑料熔体，但不适用于高分子量 高聚物熔体和结晶态塑料熔体。
幂律流体模型
第六章 聚合物材料的流变性
& σs ~ γ
关系及 η ~ γ 关系用对数 &
对于牛顿流体， 对于牛顿流体，流动方程为
& lgσs = lgη + lgγ
作 lg图 ， 得到斜率为 的直 图 得到斜率为1的直 截距为lgη。 线，截距为 。 对于高聚物熔体， 对于高聚物熔体，流动方程 可表示为—— 可表示为
& lgσs = lg K +nlg γ
在假塑性区中， 在假塑性区中，粘度下降的程度可以看作是剪切作用下链缠结 结构破坏的程度的反映。 结构破坏的程度的反映。
c) d) e)
当切变速率继续增加到缠结破坏完全来不及重建， 当切变速率继续增加到缠结破坏完全来不及重建，粘度降低到 最小值，并不再变化，这就是第二牛顿区； 最小值，并不再变化，这就是第二牛顿区； 如果切变速率进一步增大，拟网状结构完全被破坏， 如果切变速率进一步增大，拟网状结构完全被破坏，高分子链 沿剪切方向高度取向排列，则粘度再次升高， 沿剪切方向高度取向排列，则粘度再次升高，导致膨胀性区的 出现； 出现； 直到出现不稳定流动，进入湍流区为止。 直到出现不稳定流动，进入湍流区为止。
& σs =σy +ηpγ 式 ， 中 —— 汉 程 宾 方
（ σs<σy)
σy称 屈 应 ； 为 服 力 ηp成 宾 粘 或 性 度 为 汉 度 塑 粘 。
11
举例——油漆、沥青、涂料、泥浆、牙膏 油漆、沥青、涂料、泥浆、 举例 油漆
2）假塑性流体 ）假塑性流体——在低切变速率时表现为牛顿流体，随着切 在低切变速率时表现为牛顿流体， 在低切变速率时表现为牛顿流体 变速率或剪切应力的增加，粘度逐渐减少（ 切力变稀） 变速率或剪切应力的增加 ， 粘度逐渐减少 （ 切力变稀 ） 。 举例——大多数高聚物熔体及其浓溶液 大多数高聚物熔体及其浓溶液 举例 大多数高聚物熔体 解释——长链高分子流动时， 同时穿过几个流速不等的 长链高分子流动时， 解释 长链高分子流动时 液层， 分子链各部分以不同速度前进， 液层 ， 分子链各部分以不同速度前进 ， 这种情况难以持 在适度流速或剪切力场中， 久 ； 在适度流速或剪切力场中 ， 每个长链分子总是力图 挣脱分子间的物理缠绕作用， 挣脱分子间的物理缠绕作用 ， 使自己全部进入同一流速 的流层； 的流层 ； 不同流速液层的平行分布导致大分子在流动方 向上取向； 切变速率或切应力增加，取向程度增大， 向上取向 ； 切变速率或切应力增加 ， 取向程度增大 ， 流 体粘度降低。 体粘度降低。
高分子流体的流动与流变特性研究
高分子流体的流动与流变特性研究摘要高分子流体是一类具备特殊流动与流变特性的聚合物材料。
研究高分子流体的流动与流变特性对于深入了解其结构与性能关系、优化工艺条件以及开发新型高分子材料具有重要意义。
本文将探讨高分子流体的流动和流变特性，并介绍一些常用的实验方法和理论模型来研究高分子流体的流变行为。
同时，还将讨论高分子流体在不同温度、压力和剪切速率下的流动特性及其与流变特性的关系。
最后，本文将以一些典型的高分子流体作为案例，详细介绍其流动与流变特性的研究进展。
1. 引言高分子流体是由聚合物构成的流体体系，具有特殊的流动与流变特性。
在工程应用领域中，高分子流体的流动和流变行为对于确定其性能和优化工艺条件具有重要意义。
高分子流体的流变特性包括剪切应力-剪切速率关系、流变曲线、力学弛豫和周期性变形等。
研究高分子流体的流动与流变特性有助于深入了解高分子材料的微观结构与性能关系，为高分子材料的合成和应用提供理论指导。
2. 实验方法在研究高分子流体的流动与流变特性时，通常采用一系列实验方法来获取相关数据。
常见的实验方法包括流变仪测量、旋转黏度计测试、拉伸和压缩实验以及动态力学分析等。
这些方法可以提供高分子流体的流变曲线、应力-应变关系以及其他与流动特性相关的数据。
同时，还可以通过实验方法确定高分子流体的粘度、弹性模量、屈服应力和剪切变稀等重要参数。
3. 流动特性研究高分子流体的流动特性是指其在不同剪切速率下的流动行为。
在实验室中，常使用流变仪进行流动特性研究。
流变仪通过施加剪切力，在流体中产生剪切应力，从而使流体发生变形。
通过改变剪切速率、温度和压力等条件，可以研究高分子流体的流动规律和流变特性。
流动特性的研究可以帮助我们了解高分子流体的黏度、剪切变稀、剪切稠化等重要参数，为高分子材料的设计和应用提供指导。
4. 流变特性研究流变特性是指高分子流体在外加剪切力作用下的变形与应力之间的关系。
在研究高分子流体的流变特性时，常使用流变仪和动态力学分析仪进行实验。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
图6-1 非晶态线型聚合物 的温度-形变曲线
对非晶的无定型聚合物而言，温度 高于流动温度Tf即进入粘流态。
图6-2 结晶聚合物的温度-形变曲线 分子量低时，温度高于T m 即进入粘流态； 分子量高时，温度高于Tf 才进入粘流态
表6-1 部分聚合物的流动温度
聚合物
天然橡胶 NR
低压聚乙烯 HDPE
聚氯乙烯 PVC
宾汉流体的假塑性行为或流动临界应力的存在，一般解释 为与分子缔合或某种有序结构的破坏有关。
如泥浆、牙膏和油脂，涂料特别需要这种塑性。
s G •
s y p
s＜ y s≥ y
式中 y又称屈服应力， p称宾汉粘度或塑性粘度，
G是剪切模量
2、幂律方程
实验发现，许多高分子熔体和浓溶液，在通常加 工过程剪切速率范围内（大约 =100-103 s-1），剪切应 力与剪切速率满足如下经验公式:
单位为 Pa·s 或泊。1 Pa·s =10泊 液体速度梯度（剪切速率）为1秒-1时， 单位面积上所受的阻力
牛顿流体的流动曲线是一条通过原点的直线（见图6-3）。 -- 低分子液体和高分子稀溶液
图6-3 牛顿流体与假塑性流体的流动曲线
直是与线剪斜切率速即率剪和切剪粘切度应力0，无显关然的材料0常数。
K n
（6-4）
或 a K n1
（6-5）
该公式称幂律方程。式中K（常数） 和 n 为材n料参d数ln，
d ln
称材料的流动指数或非牛顿指数，等于在 ln ln
双对数坐标图中曲线的斜率。
K 是与温度有关的粘性参数。
简单讨论
（1）对牛顿型流体，n =1，K = 0；
聚苯乙烯 PS
流动温度 /℃ 126-160 170-200 165-190 ～170
聚合物
聚丙烯 PP
聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA
尼龙66 PA66 聚甲醛 POE
流动温度 / ℃ 200-220 190-250 250-270 170-190
粘流态主要特征 流动机理
从宏观看是在外力场作用下，熔体产生 不可逆永久变形（塑性形变和流动）
（2）某些刚性分子链和分子链间有强相互作用的聚合物， 如纤维素酯类、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚乙烯醇等，其 分解温度低于流动温度，因而也不存在粘流态。
（3）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”。
6.2 高分子液体的流动曲线和流动规律
高分子液体
高分子熔体
高分子材料熔融后
（T 大于粘流温度T f 或 熔点Tm）的凝聚状态
高分子溶液
本章中多指 高分子浓溶液
高分子熔体和溶液具有流变性，是高分子材料可以 加工成型不同形状制品的依据。
6.1 高分子材料粘流态特征及流动机理
粘流态是指高分子材料处于流动温度（T f）和分解温度 （Td）之间的一种凝聚态 。
塑料加工
橡胶加工
纤维加工
粘流态 聚合物的结构(特别是聚集态），粘流温度， 粘性流动性质 研究之间的规律，对加工具有重要的意义
规律的复杂性，研究的重要性
高聚物流变学：研究聚合物的流动和变形
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
研究聚合物的流变规律性，对于聚合反应工程和聚合物加 工工艺的合理设计、正确操作，对于获得性能良好的制品， 实现高产、优质、低耗具有重要指导意义。
从微观看，处于粘流态的大分子链产 生了重心相对位移的整链运动
大空穴 流动活化能
流动单元：粘流态下大分子运动的基本 结构单元不是分子整链，而是链段
所谓大分子的整链运动，是通过链段 相继跃迁，分段位移实现的
链段
分子整链分子整链ຫໍສະໝຸດ 运动如同一条蛇的蠕动几点说明
（1）交联和体型高分子材料不具有粘流态，如硫化橡胶 及酚醛树脂，环氧树脂，聚酯等热固性树脂。
1、定义物理量
剪切应力 ——单位层面上的剪切力称剪切应力，单位为Pa；
剪切速率 ——单位时间内发生的剪切形变称剪切速率，单位为s-1。
d / dt
（6-1）
牛顿流动定律——大多数小分子液体流动时，剪切应力
与剪切速率成正比，遵循牛顿流动定律。
0
（6-2）
剪切粘度——比例系数 0为常数剪切粘度，又称牛顿粘度，
绝大多数线型高分子材料具有粘流态。
对非晶的无定型聚合物而言，温度高于流动温度即进入粘流 态（参看图6-1）。
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，熔融后可能存在高弹态，需继续 升温，高于流动温度才进入粘流态（参看图6-2）。
非晶与结晶聚合物的温度-形变曲线
s Kn
K是常数，n是表征偏离牛顿流动的程度的指数，称为非牛 顿指数。假塑性流体n＜1，而胀流体n＞1。牛顿流体可以
看成是n=1的特殊情况，此时K= 0
另一种非牛顿流体是宾汉流体（或称塑性流体），具有名 符其实的塑性行为，即在受到的剪切应力小于某一临界值 时不发生流动，相当于虎克固体，而超过临界值后，则可 像牛顿液体一样流动。
对大多数高分子熔体而言，低速流动时（ →0）近似遵循牛顿流动定 律，其粘度称零剪切粘度，也记为 0 ；流速较高时，剪切应力与剪切
速率之间不再呈直线关系（图6-3）。
表观粘度 a ——定义曲线上一点到坐
标原点的割线斜率为流体的表观粘度
a / （6-3）
可以看出，表观粘度是剪切速率（或剪切应力）的函数。 剪切速率增大，表观粘度降低，呈剪切变稀效应。
凡是不符合牛顿流体公式的流体，统称为非牛顿流体，其 中流变行为与时间无关的有假塑性流体、胀塑性流体和宾 汉（Bingham）流体。他们的流动曲线如图所示。
B
P N d
B P N
d
各种流体的流动曲线
各种流体表观粘度与剪切速率的关系
B为宾汉流体；p为假塑性流体；N为牛顿流体；d为膨胀性流体
高分子液体不完全服从牛顿流动定律，属于非牛顿型流体。
我们称这类流体为假塑性流体（大多数高分子熔体和浓溶液）。 表观粘度单位与牛顿粘度相同。
图6-4 假塑性高分子液体的流动曲线
左图：剪切应力-剪切速率曲线； 右图：表观粘度 a-剪切速率曲线
膨胀性流体（或称胀流体）与假塑性流体相反，随着剪切 速率或剪切应力的增加，粘度升高，即发生剪切变稠。 如高聚物悬浮液、胶乳和高聚物-填料体系等。