聚合物加工流变学
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；多相高分子体系的流变性规律， 以及模具与机械设计中遇到的种种与材料 流动性质有关的问题等。）
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主要内容：
挤出流变学 密炼流变学 塑炼流变学 压延流变学 注模流变学 吹塑流变学 熔体纺丝流变学
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研究和学习流变学的意义
1）对高分子材料合成而言，流变学与高分子化学结合在一 起，流变性质通过与分子结构参数的联系成为控制合成产 物品质的重要参数。
2）对高分子材料成型加工而言，流变学与高分子物理学和 高分子材料成型工艺原理结合在一起，成为设计和控制材 料配方及加工工艺条件，以获取制品最佳的外观和内在质 量的重要手段。
图 1-8 孔压误差 21
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 的压力值相等。高分子液体有孔压误差现象。
22
2 原因：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内压力 值小于平置时测得的值。在实施流变测量时，应 当注意这一效应。同样地，当高分子液体流经一 个弯形流道时，液体对流道内侧壁和外侧壁的压 力，也会因法向应力差效应而产生差异。通常内 侧壁所受的压力较大。
10
11
二、Weussebberg效应
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三、Barus效应
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四、不稳定流动与熔体破裂
第四章聚合物加工流变学基础
这种性质使得在高分子材料加工时，特别橡胶制品 加工时，希望材料分子量分布稍宽些为宜。宽分布
橡胶不仅比窄分布材料更易挤出或模塑成型，而且
在停放时的“挺性”也更好些。
（3）长链支化结构的影响
几种支化高分子的形式
主要影响规律
（1）一般说，短支链（梳型支化）对材料粘度 的影响甚微。对高分子材料粘度影响大的是长 支链（星型支化）的形态和长度。
（2）分子量分布宽的试样，其非牛顿流变性较为显著。 主要表现为，在低剪切速率下，宽分布试样的粘度，尤其零剪 切粘度往往较高；但随剪切速率增大，宽分布试样与窄分布试 样相比（设两者重均分子量相当），其发生剪切变稀的临界剪 切速率偏低，粘-切敏感性较大。到高剪切速率范围内，宽分布
试样的粘度可能反而比相当的窄分布试样低。
2.液体在平直导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:液体主体的流动是按许多彼此平行的流层 进行，同一流层之间各点的速度彼此相同，但 各层之间的速度不一定相等。 湍流: 当流速超过临界值时，流体会出现扰动， 再大会变为湍流。
雷诺准数 Re D / 作为层流和湍流的区 分系数，其中D为导管的直径，v为液体的平 均速度 Re<2100~2300 层流
不同类型流体的流动曲线
剪 切 应 力
1
2
3
4
剪切速率
不同类型流体的流动曲线
1—膨胀性流体； 2—牛顿流体； 3—假塑性流体； 4—复合型流体
不同类型流体的流变曲线
表 观 粘 度
1
2 3
剪切速率
不同类型流体的流变曲线
1—膨胀性流体； 2—牛顿流体；3—假塑性流体
第二节 聚合物熔体剪切粘度的 影响因素
聚合物流变学引言
“Rheology“
1929
Society of Rheology ( U.S.A )
J. of Rheology
1948
1st International Congress on Rheology
Since 1950 Scientific Research in this Field developed
聚合物流变学是一个十分重要的分支
第一节 引言
二、聚合物流变学在聚合物加工工程领域中的作用与地位 1、了解聚合物结构与加工性能关系的桥梁 2、确定聚合物材料加工工艺参数的依据 3、设计聚合物加工机械的基础
第一节 引言
三、聚合物流变学的研究方法—模型法
简化
分析
计算
实际问题
理想状态
微分关系
定量关系
实验
一、流变学发展沿革
2、流变学发展沿革
流变学是一门既古老有年轻的学科
古老：古代朴素的流变学概念（弓箭、陶瓷） 年轻：作为一门学科建立于20世纪初
2、流变学发展沿革
流变学发展沿革
1928年：雷诺、宾汉提出流变学概念 取意于古希腊唯物主义哲学家赫拉克 利特（Heraclitus, 约公元前540年-前 480年）的一句名言：“万物皆流” Rheology：Everything Flows.
3、流变学的研究内容
高分子（固体、熔体和溶液） 热塑性塑料 弹性体 / 橡胶 热固性材料 共混合金 / 填充体系等 涂料、油墨、涂层 食品 化妆品 / 日化 血液、水泥等
第一节 引言
一、流变学发展沿革 3、流变学的研究内容
流变学是一门多学科领域的交叉学科
形成许多分支：石油流变学 生物流变学 血液流变学 食品流变学 聚合物流变学等
聚合物流变学研究意义
聚合物流变学研究意义聚合物流变学是研究聚合物在外力作用下的流变特性的学科。
聚合物是一类大分子化合物，具有高分子量、高分子链的柔韧性和长期的耐久性等特点。
聚合物在外力作用下会产生不同的变形和流动行为，而聚合物流变学正是研究这些变形和流动行为的学科。
聚合物流变学的研究意义主要体现在以下几个方面：1. 工程应用：聚合物流变学的研究可以为聚合物工程应用提供重要的理论基础。
比如，聚合物在塑料加工中的流动行为和变形特性对于塑料工程的设计和制造至关重要。
另外，在航空、汽车、电子等领域，聚合物的流变特性也对产品的性能和可靠性有着重要的影响。
2. 医学应用：聚合物在生物医学领域中有着广泛的应用，比如注射用聚合物、生物材料、组织工程等。
聚合物流变学的研究可以为这些应用提供重要的理论支持和技术指导。
3. 环境保护：聚合物在环境领域中也有着重要的应用，比如塑料袋、塑料瓶等。
聚合物流变学的研究可以为这些应用提供技术支持，使其更加环保和可持续。
聚合物流变学的研究主要涉及到以下几个方面：1. 本构关系：聚合物的流变特性与其分子结构有关，通过研究聚合物的分子结构和流变行为，可以建立聚合物的本构模型，从而预测其力学性能。
2. 流变行为：聚合物的流变行为包括弹性、塑性、粘弹性等，通过研究聚合物的流变行为，可以了解其在复杂工况下的行为规律，从而为工程应用提供理论指导。
3. 流变测试：聚合物的流变测试是研究聚合物流变行为的重要手段，包括剪切测试、拉伸测试、压缩测试等。
通过流变测试，可以获得聚合物的粘度、弹性模量、屈服点等流变参数，为聚合物工程应用提供重要的数据支持。
聚合物流变学的研究对于聚合物工程应用、生物医学、环境保护等领域都具有重要的意义。
在未来，随着聚合物材料的广泛应用，聚合物流变学的研究也将变得越来越重要。
聚合物加工流变学基础 -回复
聚合物加工流变学基础-回复聚合物加工流变学基础是研究聚合物材料在加工过程中的流变特性的学科。
聚合物加工流变学研究了聚合物材料在加工过程中的力学行为，包括材料的粘度和流变应力等关键参数。
本文将一步一步介绍聚合物加工流变学的基础知识。
第一步：了解流变学基本概念流变学是研究物质在外力作用下的变形和流动行为的学科。
在流变学中，我们关注的是物质对外力的响应及其与应变速率的关系。
第二步：理解聚合物的基本特性聚合物是由大量重复单元构成的高分子化合物。
它们具有灵活性、可塑性和可拉伸性等特性。
聚合物的流变特性主要由分子结构、分子量和分子排列等因素决定。
第三步：聚合物加工过程中的变形行为在聚合物加工过程中，聚合物材料经历了多种变形行为。
这包括弹性变形、塑性变形和黏弹性变形。
弹性变形是指材料在施加外力后会发生可逆的变形，一旦外力消失，材料会恢复到原始形状。
塑性变形是指材料在外力作用下会发生不可逆的变形，即使外力消失，材料也无法完全恢复到原始形状。
黏弹性变形则是介于弹性变形和塑性变形之间的一种特性，即材料在外力作用下会有一部分可恢复的变形，但也会有一部分不可恢复的变形。
第四步：流变特性的测量方法为了研究聚合物材料的流变特性，科学家们发展了多种测量方法。
其中最常用的方法是旋转流变仪和剪切流变仪。
旋转流变仪通过旋转圆盘或圆柱体来施加剪切力，测量材料对剪切力的响应。
这种方法可以获取材料的剪切粘度和剪切应力等指标。
剪切流变仪则是通过在平行平板之间施加剪切力来测量材料的流变特性。
这种方法可以获取材料的剪切应变和剪切应力等参数。
第五步：聚合物的流变特性与应用研究聚合物材料的流变特性可以为聚合物加工过程的优化提供指导。
通过调节加工条件和材料组成，可以改变聚合物的流变特性，以满足不同的需求。
聚合物加工流变学的应用非常广泛。
在塑料加工、橡胶制品生产、粘合剂制造等领域中，流变学原理的应用可以改善产品的质量和生产效率。
此外，流变学还可用于药物传递系统、生物医学工程等领域的研究。
聚合物的流变学性质
为何具有“剪切增稠”特性？
多分散体系； 高含量，高硬度微粒为分散相，分散介质在其间起润滑作用。
增大 ，粒子相互碰撞，导致润滑不足，流动阻力增加，粘度上升。
2
1
特征：τ较小不流动，呈现凝胶状态，只发生弹性变形；
该液体在静止时内部存有凝胶结构，当外加应力大于 τy时，凝胶崩溃，流动行为与牛顿流体相似。
05
提高熔体的流动性。
1.3 聚合物的流变学性质
温度及压力对聚合物熔体粘度的影响
——聚合物大分子的热运动有赖于温度。
与分子热运动有关的熔体流动必然与温度有关。
——在聚合物注射成型过程中，温度对熔体粘
度的影响与剪切速率同等重要。
温度升高——
大分子间的自由空间随之增大，分子间作用力
减小，分子运动变得容易，从而有利于大分子的
01
这时，大分子链段的运动相对减少，分子间的
02
相互作用力(范德华力)逐渐减弱，熔体内的自由
03
空间增加，从而导致相对运动加大，宏观上体现
04
为表观粘度相对降低。
05
——注射成型中，多数聚合物的表观粘度对熔
06
体内部的剪切速率具有敏感性，可以通过调整剪
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切速率来控制聚合物的熔体粘度。
08
在注射成型中，聚合物熔体发生剪切稀化效应
率区域时，流体变形和流动所需的切应力随剪切
速率而变化，并呈指数规律增大；
流体的表观粘度也随剪切速率而变化，呈指数
规律减小。
假塑性液体的“剪切稀化”的原因：
聚合物具有大分子结构，当熔体进行假塑性流
动时，剪切速率的增大，使熔体所受的切应力加
大，从而导致聚合物大分子结构伸长、解缠和滑
聚合物材料加工流变学复习资料
聚合物材料加工流变学复习资料2010-06-02 21 ：00：59 阅读165 评论0 字号：中流变学：是研究材料流动及变形规律的科学。
熔融指数：热塑性塑料在一左温度和压力下，熔体在十分钟内通过标准毛细管的重量值。
表观剪切黏度：聚合物流变曲线上某一点的剪切应力与剪切速率之比牛顿流体：指在受力后极易变形，且切应力与变形速率成正比的低粘性流体。
可回复形变：在一左时间内维持该形变保持恒左，而后撤去外力，使形变自然恢复，发现只有一部分形变得到恢复，另一部分则作为永久变形保留下来，其中可恢复形变量Sr表征流体在形变过程中储存弹性能的大小。
第2光滑挤出区：剪切速率持续升高，当达到第二临界剪切速率后，流变曲线跌落，然后再继续发展，挤出物表面可能又变得光滑，这一区域称为第二光滑挤出区。
冷冻皮层：实际上熔体进入冷模后，贴近模壁的熔体很快凝固，速度锐减，形成冷冻皮层，使熔体流道宽度Z下降。
法向应力效应：聚合物材料在口模流动中，由于自身的黏弹特性，大分子链的剪切或拉伸取向导致其力学性能的齐向异性，产生法向应力效应。
松弛时间：弹性形变在外力除去后松驰的快慢，可用松驰时间表征，T二q/G, T越大，松驰时间越长。
德博拉数Deborah数一一时间尺度：松弛时间与实验观察时间之比。
《1时做黏性流体，》1时做弹性固体。
入口校正：由于实际切应力的减小与毛细管有效长度的延长是等价的，所以可将假想的一段管长eR加到实际的毛细管长度L上，用L+eR作为毛细管的总长度，其中e为入口修正系数，R 为毛细管的半径。
用作为均匀的压力梯度，来补偿入口管压力的较大下降残余应力。
残余应力：构件在制造过程中，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响：当这些因素消失之后，若构件所受到的上述作用于影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件内，则这种残留的作用与影响称为残余应力。
韦森堡效应爬杆现象包轴现象：与牛顿型流体不同，盛在容器中的高分子液体，当插入英中的圆棒旋转时，没有因惯性作用而甩向容器壁附近，反而环绕在旋转棒附近，岀现沿棒向上爬的“爬杆”现象，这种现象称Weissenberg效应，又称包轴现象。
《聚合物加工流变学基础》课程教学大纲
《聚合物加工流变学基础》课程教学大纲FoundationofPoIymerRheo1ogy一、课程基本信息学分：2.0学时：32考核方式：各教学环节占总分的比例：作业及平时测验：30%,期末考试：70%中文简介：聚合物加工流变学基础是高分子材料与工程专业成型加工方向的一门专业基础课程。
该课程介绍了聚合物流变学的基本概念、聚合物溶液和熔体的基本流变特性及主要影响、以及聚合物流变性能的测试等。
高分子材料的加工成型几乎都是在流动状态下进行的。
通过该课程的学习，学生应掌握聚合物的流变性质，为改进聚合物加工工艺条件、制品性能以及加工机械的设计提供理论上的指导。
二、教学目的与要求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和传热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的基本实验方法和手段。
为进一步学习《聚合反应工程》、、《高分子材料成型加工工艺学》、《高分子材料成型加工机械》、《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。
三、教学方法和手段授课方式为课堂讲授为主，辅以实验教学，且与学生自学相结合，通过习题使学生加深对教学内容的理解，通过思考题鼓励学生思考问题和参阅文献。
教学方法上，通过讲授高分子流变的特点和原理，同时将课程学习与高分子的热点研究相结合。
课程教学中引入多媒体教学，采用新颖、多样的教学方式，引导学生，激发学生的学习兴趣与求知的欲望。
五、推荐教材和教学参考资源推荐教材：1.史铁钧，吴德峰.高分子流变学基础.北京：化学工业出版社，2009.06教学参考资源：2.吴其晔.《高分子材料流变学》（第一版）.北京：高等教育出版社，2002.103.顾国芳，浦鸿汀.《聚合物流变学基础》（第一版）.上海：同济大学出版社，2000.014.王玉忠,郑长义.《高聚物流变学导论》（第一版）.成都：四川大学出版社，1993.07O5.周彦豪.《聚合物加工流变学基础》（第一版）.西安：西安交通大学出版社，1988.03o六、其他说明该教学大纲依据教育部工科学校教学基本要求，借鉴国内同类专业办学经验,并结合我校的特色，在本专业教师的共同商讨下编写而成。
高分子加工工艺第四章聚合物流变学基础优选PPT课件
通常所见的塑料熔体粘度范围为：10～107Pa.s，分散体的 粘度约在1Pa.s左右。
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： l dllnl
l l0
l0
拉伸应变速率：
（ⅰ）牛顿流体，其流动行为称为牛顿型流动； （ⅱ）非牛顿流体，其流动行为称为非牛顿型流动。
4.2 剪切粘度和非牛顿流动
一、基本流动类型
聚合物流体由于在成型条件下的流速、外部作用力形式、流 道几何形状和热量传递等情况的不同，可表现出不同的流动
类型。
1、层流与湍流
（1）层流流体流动的特点： 液体主体的流动是按照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； 各层之间的速度不一定相等，各层之间无可见的扰动。
第二流动区，也称假塑性区或非牛顿区。 ✓聚合物流体在这一区的剪切速率范围内的流动与假塑 性流体的流变行为相近； ✓表观粘度应随剪切速率的增大而减小，这种现象常称 为“切力变稀”。 ✓在剪切速率变化不大的区段内仍可将流动曲线当作直 线处理。
塑料的主要成型技术多在这一流动区所对应的剪切速率范围 内进行成型操作。
（3）膨胀性流体
流动曲线：非直线的 ，斜率先逐渐变小而后又逐渐变大的 曲线，也不存在屈服应力。 表观粘度会随剪切应力的增加而上升。即：剪切变稠。 如：固体含量高的悬浮液、较高剪切速率下的PVC糊塑料， 胶乳，高聚物填料体系。
（4）幂律函数方程
描述假塑性和膨胀性的非牛顿流体的流变行为，可用下
式描述：
3、等温流动和非等温流动
等温流动，是指在流体各处的温度保持不变情况下的流动。 在等温流动的情况下，流体与外界可以进行热量传递，但 传入和传出的热量应保持相等。
聚合物加工流变学
ax
vx 2 x(a，b，c，t ) x ''(a，b，c，t ) 2 t t 2 v y y (a，b，c，t ) ay x ''(a，b，c，t ) 2 t t 2 vz z (a，b，c，t ) az z ''(a，b，c，t ) 2 t t
1.1.1 流体的连续介质模型
由物理学可知，流体都由大量不断运动着的分子组成，而分子间总都存在间隙。因此从微观角度 来看，流体内部相对分子质量分布并不连续，流体的物理量在空间分布也是不连续的。同时，由于分 子的随机运动，又导致任一空间点上流体物理量对于时间的不连续性。这样从微观角度看，流体物理 量分布在空间和时间上都是不连续的。 但是流变学所研究的流体的变形和流动并不是个别分子的微观运动情况， 而是研究大量分子组成 的流体，在外力作用下而引起的宏观运动规律。流体的宏观物理量或称物理参数（如密度、速度、压 力、温度等）都是大量分子运动行为的平均表现，也就是说，流体流变学所讨论的问题中，其特征尺 寸远大于分子运动尺寸（分子平均自由程） 。这样，就可用宏观的理想化的流体模型来代替微观的真 实的分子结构，这一简化的物理模型就是“连续介质模型” 。 所谓“连续介质模型”就是不考虑微观分子结构，把流体视为由无数多个充满所在空间、相互间 无任何间隙的质点所组成，相邻质点宏观物理量的变化是连续的。 具体来说，对于流体的连续介质模型，应包含两个内容: 其一，流体是由排列的流体质点所组成，即空间每一点都被确定的流体质点所占据，其中并无间 隙。 于是流体的任一物理参数 B 可以表达成空间坐标 （x， y， z） 及时间 t 的连续函数 B B x，y，z，t ； 其二， 在充满连续介质的空间中， 物理参数 B 不单是 x、 y、 z 的连续函数， 而且是连续可微函数。 严格来说，这一模型是一种假定，但这是被实践证明了的正确的假定。 综上所述，连续介质概念是建立在流体质点概念的基础上的。所谓流体的质点，应该作如下的理 解：在宏观上，质点的尺度与流体所处空间的尺度相比要充分小，小到以至于在数学上可以当成一个 “几何点”——只有位置无体积大小来处理，这是由于占据有限空间的液体中具有无限多个质点，而 且每个质点的宏观物理量都具有唯一的确定数值； 在微观上， 质点的尺度和分子尺度相比又要足够大，