Chapter 6 流变仪的基本原理及应用解析
流变仪的基本应用和原理
流变仪的基本应用和原理流变仪的基本应用流变仪是一种广泛应用于材料科学、化学工程、食品工程、生物医学等领域的实验仪器。
它主要用于研究物质在受力下的流变性质，即物质的变形与应力之间的关系。
以下是流变仪的一些基本应用：1.材料研究和开发：流变仪可以帮助科学家研究不同材料在不同温度、压力和频率条件下的流变行为。
例如，研究聚合物的流变性质可以帮助改进塑料的性能，开发新型材料。
2.食品工程：流变仪可以用于分析食品的流变特性，如黏度、弹性和黏弹性等。
这对于食品加工工艺的优化和改进至关重要。
3.生物医学：流变仪可以用于分析生物体内的生物流体，如血液、淋巴液等的流变性质。
了解这些生物流体的流变特性有助于诊断疾病并改善医疗手段。
4.油墨和涂料：流变仪可以用于评估油墨和涂料的流变特性，包括黏度、流动性和抗剪切性。
这些数据可以帮助制定更好的配方和改进生产工艺。
5.建筑材料：流变仪可以用于研究混凝土、水泥等建筑材料的流变行为。
这对于确保结构材料的质量和性能非常重要。
6.化学工程：流变仪可以用于研究化学反应中的流变行为，帮助优化废水处理、催化剂设计以及石油加工等过程。
流变仪的原理流变仪通过施加外力并测量物质的变形情况，来确定物质的流变特性。
以下是流变仪的基本原理：1.应力施加：流变仪通过施加外力，如旋转圆柱、挤出或剪切等方式，使物质发生变形。
这个外力可以是恒定的或周期性的，以模拟实际应用场景。
2.变形测量：流变仪会测量物质在施加外力下的变形情况。
通过这些测量数据，可以计算出物质的应力-应变关系，从而得到物质的流变特性。
3.测量参数：流变仪测量的主要参数包括：–应力（shear stress）：施加在物质上的力，单位是帕斯卡（Pa）。
–应变（shear strain）：物质的变形程度，没有单位。
–变形速率（strain rate）：单位时间内的变形速度，常用秒的倒数表示。
4.流变模型：根据测得的应力和应变数据，可以利用流变学原理建立数学模型，来描述物质的流变性质。
Chapter6流变仪的基本原理及应用解读
存在原因： 物料经历强烈拉伸和剪切流动， 牛顿流体：∆pent很小，忽略不计
贮存、消耗了部分能量
粘弹性流体：必须考虑因弹性形变导致的压力损失
8
修正方法：
毛细管流变仪
e0为Bagley修正因子
压力梯度：
完全发展区 管壁上的剪切应力：
9
毛细管流变仪
确定e0的实验方法
同一体积流量
长径比不同
横向截距 LB /D = e0 /2
rr r
0
0
0 zzr
动量方程在r 方向上可以简化为
积分并简化得
d drprrdd rr rV r2rrr
r R r r K r K R 1 N 1 K 1 1 r 2
38
旋转流变仪
测量系统的选择
39
旋转流变仪
40
旋转流变仪
测量模式的选择
107
Viscosity [Pa.s]
1、从锥板的测量结果可得第一法向应力差：
N1 1122 2RFcc2pp
2、从平行板的测量结果可以得到法向应力差：
N1RN2R2R Fp p 2p p11 2d dlln nF p Rp
35
旋转流变仪
同轴圆筒
1、基本结构
R KR
V
L
同轴圆筒流变仪的示意图
内筒静止
KKR R
R
同轴圆筒间的流动
而后者是匀速运动
6
毛细管流变仪
物料在毛细管中流动的三区域： 入口区、完全发展区、出口区
L: 毛细管总长 p1 :柱塞杆对聚合物熔体施加的压力 p0 :大气压 pe :出口处熔体压力
7
毛细管流变仪
完全发展区的流场分析
流变仪的基本原理及应用
流变仪的基本原理及应用1. 概述流变仪是一种用于测量物质在应力作用下的流变性质的仪器。
它可以通过施加不同的力来测试物质的变形情况，并根据测量数据来分析物质的流动行为和性质。
流变仪广泛应用于材料科学、化学工程、生物医学等领域。
2. 流变仪的基本原理流变仪的基本原理是根据牛顿流体力学的黏滞阻力原理。
当外力作用于流体时，流体会发生变形，并产生阻力。
流变仪利用旋转、振动或剪切等方式施加外力，测量物质的变形情况，并通过计算得到物质的流变性质。
3. 流变仪的组成部分流变仪一般由下述几部分组成：•电机或振动器：用于施加外力并引起物质的变形；•转子或振荡器：通过旋转或振动来引发物质的变形；•传感器：用于测量物质的变形情况；•数据采集系统：用于记录和处理测量数据；•控制系统：用于控制流变仪的操作。
4. 流变仪的应用流变仪在许多领域都有广泛的应用，以下是几个常见的领域及其应用：4.1 材料科学•粘弹性材料研究：使用流变仪可以测量材料在不同应力下的应变程度，从而研究其粘弹性质；•材料流动性测试：流变仪可以测量材料在不同温度和压力下的流动性能，对材料的加工性能评估具有重要意义；•薄膜涂覆研究：通过流变仪可以评估涂覆材料的流动性能和薄膜厚度等重要参数。
4.2 化学工程•流体混合性能测试：流变仪可以评估化工过程中不同液体的混合性能，从而优化反应条件；•流体输送性能研究：通过流变仪可以测试流体在管道中的输送性能，包括黏度、流速等参数；•聚合物溶解和分散性能研究：流变仪可以测量聚合物在不同溶剂中的溶解和分散性能。
4.3 生物医学•细胞流变学研究：流变仪可以测量细胞在不同应力作用下的变形情况，从而研究细胞的流变学特性；•生物高分子材料研究：利用流变仪可以评估生物高分子材料的力学性能，如弹性模量、黏度等；•药物传输性能评估：通过流变仪可以测试药物在不同条件下的输送性能，对药物研发具有重要意义。
5. 总结流变仪是一种重要的测试仪器，可以用于测量物质的流变性质。
流变仪的原理及应用
流变仪的原理及应用一、流变仪的原理流变仪是一种用于研究物质的变形和流动特性的仪器。
它通过测量物质在施加剪切力作用下的变形情况，以及对应的应力响应，来分析物质的流变特性。
流变学是研究物质变形和流动规律的学科，广泛应用于诸多领域，如化工、材料、制药等。
常见的流变仪由一个驱动系统、一个测力系统和一个测量系统组成。
驱动系统通过施加剪切力来使物质发生变形。
测力系统通过传感器测量物质受到的剪切力。
测量系统根据测力系统获得的数据计算物质的变形情况和应力响应。
流变仪根据测量原理的不同分为多种类型，如旋转式流变仪、振动式流变仪、内旋式流变仪等。
这些流变仪在操作方式和测量原理上有所区别，但基本的原理是相似的。
二、流变仪的应用流变仪被广泛应用于不同领域的研究和生产中，以下列举了几个典型的应用案例。
1. 化工领域在化工领域，流变仪被用于研究各种液体和非牛顿流体的性质和行为。
通过测量物质的流变特性，可以优化流程设计、提高产品质量和效率。
例如，流变仪可以用于研究聚合物的流变行为，以指导合成过程的优化和产品的开发。
2. 材料科学领域流变仪在材料科学领域的应用非常广泛。
它可以用来研究材料的粘弹性、塑性和黏度等特性。
这些信息对于材料的设计和制备至关重要。
例如，在涂料工业中，流变仪可以用来评估涂料的流动性和均匀性。
在塑料工业中，流变仪可以用来研究塑料的熔融行为和加工性能。
3. 食品工业流变仪在食品工业中的应用主要是用于测量食品的流变特性以及质感的研究。
例如，通过测量冷冻食品的流变特性，可以优化其加工工艺，提高品质。
同时，流变仪还可用于研究食品的黏度、弹性和液固转变等性质，对产品的质感提供指导。
4. 制药行业在制药行业，流变仪被用于研究和控制药物的物理特性和流动性。
这对于药物的制剂开发和生产至关重要。
通过测量药物的流变特性，可以优化药物制剂的稳定性和可溶性。
此外，流变仪还可以用于研究药物的释放行为，对药物的生物利用度提供指导。
三、总结流变仪是一种用于研究物质流变特性的重要仪器。
流变仪的基本应用和原理讲课文档
⑵ 工程流变学研究和设计。借助流变测量研究聚合反应
工程、高聚物加工工程及加工设备、模具设计制造中的流
场及温度场分布，研究极限流动条件及其与工艺过程的
关系，确定工艺参数，为实现工程优化，完成设备与模具
CAD设计提供可靠的定量依据。
⑶ 检验和指导流变本构方程理论的发展。流变测量的 最高级任务。这种测量必须是科学的，经得起验证的。 通过测量，获得材料真实的粘弹性变化规律及与材料结 构参数的内在联系，检验本构方程的优劣，推动本构方 程理论的发展。
毛 为材料弹性性能的一种度量。最典型的应用是表征PVC
细 的塑化程度(凝胶化程度)。
管
PVC是几种最常用的通用塑料之一。在硬质PVC制品
流 加工中，PVC的凝胶化程度一直是质量控制的关键。因
变 为凝胶化程度强烈影响PVC制品最终的物理机械性能。
仪
第二十五页，共90页。
悬浮法合成的PVC具有多层次亚微观结构(介观结构
哈根-泊肃叶流量方程
Q
pR4 8 L'
管壁上的剪切速率，即为最大剪切速率
•
R
4Q R3
定义熔体通过毛细管的表观剪切
速率等于管壁的剪切速率
•
•
R
4Q
R3
第十七页，共90页。
2 非牛顿流体
•
Kn
非牛顿流体的速率和流量，不能用单个的粘度参量来
描述，而是作为流动指数n和流体稠度K的函数。n和K又
是剪切速率
•
的实验流变曲线上的变量。流动方程在建
立与流道几何参量关系时，要顾及实验获得流变参量的
现实性。这使得非牛顿流体在研究和应用流动方程和流
变曲线时，必须多方面的考虑真实参量、表观参量、管
流变仪的使用及原理
流变仪的使用及原理
流变仪是一种用于测量物质流变性质的仪器，它可以测量物质在不同应力下的变形情况，从而得出物质的流变特性。
流变仪广泛应用于化工、食品、医药、材料等领域，是研究物质流变性质的重要工具。
流变仪的使用
流变仪的使用需要注意以下几点：
1. 样品的准备：样品应该充分混合均匀，避免出现气泡和颗粒，以免影响测量结果。
2. 测量条件的设置：根据样品的特性和测量要求，设置合适的温度、转速、应力等参数。
3. 测量过程的控制：在测量过程中，应注意控制样品的温度、转速和应力，避免出现异常情况。
4. 数据的处理：测量结束后，应对数据进行处理和分析，得出样品的流变特性参数。
流变仪的原理
流变仪的原理基于牛顿流体力学和非牛顿流体力学的基础上，通过施加不同的应力，测量物质的变形情况，从而得出物质的流变特性。
在牛顿流体力学中，物质的粘度是一个常数，不受应力的影响。
而在非牛顿流体力学中，物质的粘度随着应力的变化而变化，可以分为剪切稀释和剪切增稠两种类型。
流变仪通过施加不同的应力，测量物质的变形情况，从而得出物质的流变特性。
流变仪可以测量物质的剪切应力、剪切应变、粘度、弹性模量、黏弹性等参数，可以用于研究物质的流变特性、流变行为和流变机制。
流变仪是一种重要的实验仪器，可以用于研究物质的流变特性和流变行为，对于化工、食品、医药、材料等领域的研究和生产具有重要的意义。
第六章 流变仪的基本原理及应用 ppt课件
③ 挤出流变：研究聚合物熔体的流动行为, 以表征 其加工性能, 深入研究分子结构。
④ 挤出造粒
⑤ 反应挤出
⑥ 纳米复合
⑦ PVC加工
转矩流变仪
• 功能单元只要有两类，一类是混炼器，一类是挤出机。 • 混炼器有50ml和300ml两种规格。50ml混炼器主要完成物
料的流变性测量与表征，300ml主要完成物料的混合与塑 炼，可以作为配方研究的小型试验机。 • 另外还有与挤出机配合的各种模具，杂质测量仪，口模膨 胀测量仪等。各种挤出机不但可以模拟挤出加工、造粒等 加工过程，从而评价物料的加工性能以及优化加工工艺参 数，而且可以测量不同剪切速率下物料的真实粘度与剪切 速率的关系，全面表征物料的流变性。
• “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
概述
哈克旋转流变仪
赛默飞世尔
锥板结构
平行板结构
测量模式
应变扫描
转矩流变仪
• 转矩流变仪是研究材料的流动、塑化、热、剪切 稳定性的理想设备，可以在类似实际加工的情况 下，连续、准确可靠地对材料的流变性能进行测 定，如多组份物料的混合、热固性树脂的交联固 化、弹性体的硫化，材料的动态稳定性以及螺杆 转速对体系加工性能的影响等。
第六章 流变仪的基本原理及应用
第一节 旋转流变仪
旋转流变仪:在稳定或变速情况下测量扭矩，用夹具因子将物理 量转化为流变学的参数
流 变 仪
毛细管流变仪：计算机测控智能化恒压式毛细管流变仪，通过 计算机测定各种压力作用下的各种规格毛细管在不同的升温速 率下、不同温度时的挤出速度。
转矩流变仪：研究材料的流动、塑化、热、剪切稳定性的理想 设备，该流变仪提供了更接近于实际加工的动态测量方法，可 以在类似实际加工的情况下，连续、准确可靠地对材料的流变 性能进行测定，如多组份物料的混合、热固性树脂的交联固化、 弹性体的硫化，材料的动态稳定性以及螺杆转速对体系加工性 能的影响等。
第六章流变仪教材
杯 和 转子 (同轴圆桶)
• 很宽的间隙 (11.5mm)，适合填充 材料
• 更大的表面积，测 量稀薄液体时更灵 敏
• 减少了挥发
杯和转子的不利之处
• 清除样品更困难
• 与 平板加热体系， 兼容性相对较差
3.1 锥-板型流变仪测量粘度
R3
s
g
Stokes粘性阻力 F 6 R
初始时小球在溶液内以加速运动下落，待速度升 到一定值时，受力平衡，恒速下降。
W F f
2 9
gR2
(b
s )
小球速度可用光电测速装置测量，于是粘度就等于
2 9
gR2 S
(b
s
)t
特点： 结构简单，操作方便 剪切速率小，测得的粘度近似等于零剪切粘度 可用于研究聚合或降解反应的动力学过程
8L Q
表观剪切粘度
问题：表观剪切粘度是否 是真实粘度？
不是，还需经过Bagley校正 和Rabinowitisch 校正，才
能得到真实粘度
牛顿流体 聚合物 流体
Rabinowitisch 校正
app
4Q
r 3
w
4Q
r3
3n 1 4n
表观剪切速率 (牛顿流体)
样品1
样品2
1
2
3
4
5
Ti时m间e （[mmiinn）]
课后作业
１.毛细管流变仪为什么要进行入口校正及校正方法？ ２.给出ＰＶＣ典型的转矩随时间变化曲线，曲线中各
流变仪的基本原理及应用PPT课件
毛细管流变仪
负荷与滑塞速度 平衡
此处n不是幂律指数
21
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毛细管流变仪
计算出毛细管管壁处剪切速率 管壁处黏度
用毛细管流变仪所测得数据实为 管壁处流变数据
22
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毛细管流变仪
23
第23页/共61页
旋转流变仪
基本结构
◆ 旋转流变仪是现代流变仪中的重要组成部分，它们依靠旋转运动来产生简 单剪切流动，可以用来快速确定材料的粘性、弹性等各方面的流变性能。
(ii) 对于多相体系，如固体悬浮液和聚合物共混物，如果其中分散粒子 的大小和板间距相差不大，就会引起很大的误差。对于多相体系的 最佳选择是同轴的平行板夹具；
(iii) 应该避免用锥板结构来进行温度扫描实验，除非仪器本身有自动的 热膨胀补偿系统。
27
第27页/共61页
旋转流变仪
黏度的测量：
因为剪切速率在间隙中是恒定的，因此粘度可以从扭矩求得。 由于剪切应力也是常数，扭矩可以表示为
关于流变仪的简单介绍
常见流变仪的剪切速率范围及测黏范围
精确测量范围取决于各自测量面积和样品性质 压缩型门尼粘度计的剪切速率范围大于振荡型
1
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关于流变仪的简单介绍
2
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毛细管流变仪
两类主流毛细管流变仪的主要区别
恒速型
恒压型
柱塞前进速率恒定， 作匀速运动
待测量为毛细管两端的压力差
而后者是匀速运动
5
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毛细管流变仪
物料在毛细管中流动的三区域： 入口区、完全发展区、出口区
L: 毛细管总长 p1 :柱塞杆对聚合物熔体施加的压力 p0 :大气压 pe :出口处熔体压力
06 第六章 转矩流变仪
6-2 测试原理与方法
采用混合器测试时， 高聚物以粒子或粉末的形式自加料口加入到混炼室中， 物料受到上
131
顶栓的压力，并且通过转子表面与混合室壁之间的剪切、搅拌、挤压，转子之间的捏合、撕 扯，转子轴向翻捣、捏炼等作用，实现物料的塑化、混炼，直至达到均匀状态。图 6-2 是典 型的转矩随时间的变化曲线， 它描述了聚合物在密炼过程中经历的热机械历史： 高聚物被加 入到混炼室中时，自由旋转的转子受到来自固体粒子或粉末的阻力，转矩急剧上升；当此阻 力被克服后， 转矩开始下降并在较短的时间内达到稳态； 当粒子表面开始熔融并发生聚集时， 转矩再次升高；在热的作用下，粒子的内核慢慢熔融，转矩随之下降；当粒子完全熔融后， 物料成为易于流动的宏观连续的流体，转矩再次达到稳态；经过一定时间后，在热和力的作 用下，随着交联或降解的发生，转矩会有较大幅度的升高或降低。在实际加工过程中，第一 次转矩最大值所对应的时间非常短， 很少能够观察得到。 转矩第二次达到稳态所需的时间通 常为 3～15min，这依赖于所采用的材料和加工条件(温度和转速)。
其中，E 为总能量输入，EM 为机械能输入，ET 为热能输入。三者均随时间而变化。对于密 闭混合器而言，热能输入 ET(t)是无法测量的，因为在混合过程中，系统提供的热能并未全 部传递到待测物料上，其中一部分以热的形式散发到周围的环境中(其多少依赖于密闭混合 器的表面性能、环境温度等因素)；此外，物料在转子的驱动下会摩擦生热，即部分机械能 转化为热能， 被冷却系统带走。 但是， 系统提供的机械能是可以测量的， 这可通过转矩得到。 通过对转子进行校正可消除因摩擦生热而带来的误差。 功率(单位：N·m·s-1)是指单位时间内消耗的能量，其定义为：
转速 N 为常量，因此上式两边积分可得
第六章流变仪
4Q r 3 r
控制：活塞速率
表观剪切粘度
问题：表观剪切粘度是否 是真实粘度？
不是，还需经过Bagley校正 和 Rabinowitisch 校正，才 能得到真实粘度 聚合物 流体
牛顿流体
Rabinowitisch 校正
app
4Q 3 r
表观剪切速率 (牛顿流体)
校正剪切速率 (聚合物熔体) . If n = 0.5, = 1.25 * γa
哈根-泊肃叶方程（Hagen-Poiseuille方程） 体积流量 Q v(r )df v(r )2rdr R P
R R
0
0
4
8L
4Q 3 毛细管流变仪表观剪切速率计算公式： r
表观剪切粘度：
P r r 2L
r r
r 3 P
8L Q
原理：将待测溶液置于玻璃测粘管中，放入加热恒
温槽，使之恒温。然后向管中放入不锈钢小球，令 其自由下落，记录小球恒速下落一段距离S所需时 间t，可计算出溶液粘度
小球下落过程受到三个力作用： 4 重力 W Байду номын сангаасR 3 b g 3
浮力
4 f R3 s g 3
Stokes粘性阻力
F 6 R
将式（6-4）积分得到毛细管内的剪切应力分布为：
p r rz z 2
rz
r 0
0
rz
rR
p R z 2
任意点r处的剪切 应力：
r P w 2L
牛顿流体
2.2.2 剪切速率的计算
dv r P 剪切速率 dr 2L PR2 r 2 v( r ) [1 ( ) ] 速度 4L R
第6章-流变仪的基本原理及应用
0
熔体指数仪 1~100
转动性流变仪 10-6~103
旋转流变仪 10-3~1
门尼黏度计
压缩性、振荡型
混炼型
≥10-2
挤出式毛细管 10-2~105
黏度/Pa.s 10-3~103 ~104 10-2~1011
10-1~107
6.1 毛细管流变仪
毛细管流变仪是目前发展最成熟、应用最广的 流变测量仪 优点：操作简单、测量范围宽(10-2~105剪切速率) 具体应用： （1）测定高分子熔体在毛细管中的剪切应力和 剪切速率的关系； （2）根据挤出物的直径和外观，在恒定应力下 通过改变毛细管的长径比来研究熔体的弹性和 熔体破裂等不稳定流动现象；
6.1.2 恒速型毛细管流变仪
物料从直径直大的料筒经挤压通过有一定入口角的人 口区进入毛细管，然后从出口挤出，其流动状况发生 巨大变化。人口区附近物料有明显的流线收敛现象。 物料在进入毛细管一段距 离之后才能得到充分发展， 成为稳定的直动。而在出 口区附近。由于约束消失， 熔体出现挤出胀大现象， 流线也发生变化。因此， 物料在毛细管中的流动 动可分为三个区域：入口区、 完全发展的流动区和出口区
d)流道收缩比(DR/D)的影响
6.1.5 出口区的流动行为
影响挤出胀大的因素： e)分子量的影响
分子量越大，松弛时间增加，挤出胀大越大。
f)在平均分子量相等下，分子量分布 的影响（主要是高分子量影响）
分子量分布越宽，挤出胀大越大。
g)增塑剂的影响
增塑剂的加入，减弱分子间的相互作用，缩短松弛时间， 挤出胀大减少。
R
R 2
L'
P e0R
或 R
R 2
P-Pent L'
流变仪原理
流变仪原理引言：流变仪是一种用来测量物质流变性质的仪器，它通过施加外力并测量物质的变形来研究其流动行为。
流变仪的原理十分复杂，本文将从流变仪的基本原理、工作原理和应用领域等方面进行介绍。
一、流变仪的基本原理流变仪的基本原理可以归结为牛顿黏度定律。
根据牛顿黏度定律，物质的应变速率与所受剪切力成正比，比例系数即为黏度。
流变仪利用旋转或振动的方式施加剪切力，再测量物质的应变速率，从而计算出物质的黏度。
二、流变仪的工作原理流变仪主要由悬挂系统、驱动系统、控制系统和测量系统组成。
悬挂系统用于悬挂待测物质，驱动系统通过旋转或振动的方式施加剪切力，控制系统用于控制剪切力的大小和频率，测量系统用于测量物质的应变速率。
流变仪通过控制剪切力的大小和频率，测量物质的应变速率，并根据牛顿黏度定律计算出物质的黏度。
三、流变仪的应用领域流变仪广泛应用于液体、半固体和软物质的研究中。
以下是流变仪在不同领域的应用：1. 化妆品工业：流变仪可以用来研究化妆品的黏度、弹性和流变性，以优化产品的质地和稳定性。
2. 食品工业：流变仪可用于测量食品的黏度和流变性，以改善食品的口感和质量。
3. 医药工业：流变仪可以用来测试药物的黏度和流变性，以确保药物在生产和使用过程中的稳定性和可操作性。
4. 塑料工业：流变仪可用于研究塑料的熔融和加工性能，以改进塑料制品的质量和生产效率。
5. 橡胶工业：流变仪可以用来测试橡胶的流变性和粘弹性，以改善橡胶制品的性能和可靠性。
6. 石油工业：流变仪可用于研究石油和油藏流体的黏度和流变性，以指导石油勘探和开采过程。
7. 土壤力学：流变仪可用于测试土壤的黏塑性和变形特性，以指导土壤工程和地质灾害防治。
结论：流变仪是一种用于研究物质流变性质的重要仪器，它通过施加剪切力并测量应变速率来研究物质的流动行为。
流变仪的工作原理基于牛顿黏度定律，并应用于化妆品、食品、医药、塑料、橡胶、石油和土壤力学等领域。
通过对流变仪原理的深入了解，我们可以更好地理解和应用流变学知识，推动各个领域的科学研究和工程实践。
流变仪的基本原理及应用
(i) 剪切速率恒定，在确定流变学性质时不需要对流动动力学作任 何假设。不需要流变学模型；
(ii) 测试时仅需要很少量的样品，这对于样品稀少的情况显得尤为 重要，如生物流体和实验室合成的少量聚合物；
(iii) 体系可以有极好的传热和温度控制； (iv) 末端效应可以忽略，特别是在使用少量样品，并且在低速旋转 的情况下。
(iii) 平行板结构可以更方便地安装光学设备和施加电磁场。
(iv) 在一些研究中，剪切速率是一个重要的独立变量。平行板中剪切速率沿径向的分布可以 使剪切速率的作用在同一个样品中得到表现。
(v) 对于填充体系，板间距可以根据填料的大小进行调整。因此平行板更适用于测量聚合物 共混物和多相聚合物体系(复合物和共混物)的流变性能。
实验中： 1、应保持Q恒定，若Q变，相当于 剪切速率改变， e0 也随之变化； 2、由于∆pent主要因流体贮存弹性 引起，故影响材料弹性的因素同样 会影响e0取值； 3、当长径比小、剪切速率大、温 度低时，不可忽略入口校正； 4、长径比>40时，∆pent所占比例 小可不做入口校正。
11
毛细管流变仪
熔体指数仪的基本结构与恒速型流变仪类似 不同之处：熔体指数测量仪中柱塞是变速运动
而后者是匀速运动
7
毛细管流变仪
物料在毛细管中流动的三区域： 入口区、完全发展区、出口区
L: 毛细管总长 p1 :柱塞杆对聚合物熔体施加的压力 p0 :大气压 pe :出口处熔体压力
8
毛细管流变仪
完全发展区的流场分析
1、Bagley 校正 牛顿流体：∆pexit 为零 粘弹性流体： 若其弹性形变在经毛细管后尚未完全恢复， 至出口处任存部分内压力，则导致∆pexit
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(ii) 测试时仅需要很少量的样品，这对于样品稀少的情况显得尤为 重要，如生物流体和实验室合成的少量聚合物；
(iii) 体系可以有极好的传热和温度控制； (iv) 末端效应可以忽略，特别是在使用少量样品，并且在低速旋转 的情况下。
基本应用 聚合物熔体剪切黏度的研究
流动曲线的时温叠加
聚合物熔体弹性的研究
由末端校正计算熔体弹性 法向应力差的计算
挤出胀大比的研究
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毛细管流变仪
测黏数据处理
22
毛细管流变仪
负荷与滑塞速度 平衡
此处n不是幂律指数
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毛细管流变仪
计算出毛细管管壁处剪切速率
管壁处黏度
用毛细管流变仪所测得数据实为 管壁处流变数据
2 2 1 11 22 F 1 R R rr 2 2
第一法向应力差：
N 1 11 22 2F R 2
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平行板 平行板结构的优点：
旋转流变仪
(i) 平行板间的距离可以调节到很小。小的间距抑制了二次流动，减少了惯性校正，并通过 更好的传热减少了热效应。综合这些因素使得平行板结构可以在更高的剪切速率下使用。 (ii) 因为平行板上轴向力与第一法向应力差和第二法向应力差(分别为1 N 和2 N )的差成正比， 而不是像在锥板中与第一法向应力差成正比，因此可以结合平行板结构与锥板结构来测 量流体的第二法向应力差。 (iii) 平行板结构可以更方便地安装光学设备和施加电磁场。 (iv) 在一些研究中，剪切速率是一个重要的独立变量。平行板中剪切速率沿径向的分布可以 使剪切速率的作用在同一个样品中得到表现。 (v) 对于填充体系，板间距可以根据填料的大小进行调整。因此平行板更适用于测量聚合物 共混物和多相聚合物体系(复合物和共混物)的流变性能。 (vi) 平的表面比锥面更容易进行精度检查。 (vii) 通过改变间距和半径，可以系统的研究表面和末端效应。 (viii) 平行板的表面更容易清洗。
3
关于流变仪的简单介绍
4
毛细管流变仪
两类主流毛细管流变仪的主要区别
恒速型
柱塞前进速率恒定， 作匀速运动 待测量为毛细管两端的压力差
恒压型
柱塞前进压力恒定， 作变速运动 待测量为物料的挤出速度
一般用来测量物料黏度及
其它流变参数
塑料工业中常使用熔体指数仪
来测熔融指数
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毛细管流变仪
核心部件 长径比：10/1、20/1、30/1、40/1等
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旋转流变仪
h
z r
流体
R
平行板结构
稳态条件下的速度分布为
V
z r 1 h
z r h
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剪切速率可以表示为
旋转流变仪
黏度的测量：
对于非牛顿流体，因为剪切速率随径向位置而变化，粘度不再与扭矩 成正比。因此需要进行Robinowitsh 型的推导。
V sin 0
F
锥板结构的示意图
※在锥顶角很小的情况下，剪切速率是常数，并且相应的流动为简单剪切流动。 这个结果是从牛顿流体得出的，我们也假设对于粘弹性流体它也成立。因此， 一般建议锥顶角应该小于3°。
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旋转流变仪
锥板结构的优点：
L/D较大时： B与长径比几乎无关； 此时挤出胀大原因主要来 长径比增大， B减小 自分子链取向产生的弹性 形变， 而入口区弹性形变影响已 不明显
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毛细管流变仪
B
DR / D
料筒内径 / 毛细管直径
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毛细管流变仪
2、出口压力降不为零
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毛细管流变仪
测试方法
19
毛细管流变仪
20
毛细管流变仪
同轴圆筒间的流动
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旋转流变仪
2 施加于外圆筒上的扭矩 T 2RL r r R R 2R 2 Lm 2 n n 1 1 K
2、黏度的测量
n
内筒壁上的剪切速率和外筒壁上的剪切速率确定的粘度
eg.橡胶工业中常用的门 尼粘度计
3
混炼机型流变仪： 一种组合式转矩流变 仪，带有小型密炼机和小 型螺杆挤出机及各种口模
优点：测量结果和实际加 工过程相仿
毛细管流变仪
旋转流变仪
转矩流变仪
2
关于流变仪的简单介绍
常见流变仪的剪切速率范围及测黏范围
精确测量范围取决于各自测量面积和样品性质
压缩型门尼粘度计的剪切速率范围大于振荡型
24
毛细管流变仪
25
旋转流变仪
基本结构
◆ 旋转流变仪是现代流变仪中的重要组成部分，它们依靠旋转运动来产生 简单剪切流动，可以用来快速确定材料的粘性、弹性等各方面的流变性能。 ◆ 旋转流变仪一般是通过一对夹具的相对运动来产生流动。引入流动的方 法有两种： ※一种是驱动一个夹具，测量产生的力矩，也称为应变控制型，即控制 施加的应变，测量产生的应力； ※另一种是施加一定的力矩，测量产生的旋转速度，也称为应力控制型， 即控制施加的应力，测量产生的应变。 ◆ 一般商用应力控制型流变仪的力矩范围为10−7 到10−1 N⋅m，由此产生的 可测量的剪切速率范围为10−6 到103 s−1，实际的测量范围取决于夹具结构、 物理尺寸和所测试材料的粘度。 ◆ 实际用于粘度及流变性能测量的几何结构有同轴圆筒、锥板和平行板等。
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旋转流变仪
锥板结构的缺点：
(i) 体系只能局限在很小的剪切速率范围内，因为在高的旋转速度下，由 于惯性的作用，聚合物熔体不会留在锥板与平板之间。对于低粘度和 有轻微弹性的流体，可以使用杯来代替平板，这样可以得到大的剪切 速率； (ii) 对于多相体系，如固体悬浮液和聚合物共混物，如果其中分散粒子 的大小和板间距相差不大，就会引起很大的误差。对于多相体系的 最佳选择是同轴的平行板夹具；
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横向截距 LB /D = e0 /2
毛细管流变仪
2、Rabinowitsch 校正
该公式为通式，推导时并未限制流体类型
壁剪切应力
真实剪切速率
n与1的差异可描述偏离牛顿流体的程度； 大多数高分子浓溶液和熔体n通牛顿指数；
牛顿流体表达式
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毛细管流变仪
入口压力降的典型应用
牛顿流体：∆pexit 为零 粘弹性流体： 若其弹性形变在经毛细管后尚未完全恢复， 至出口处任存部分内压力，则导致∆pexit
存在原因： 物料经历强烈拉伸和剪切流动， 贮存、消耗了部分能量
牛顿流体：∆pent很小，忽略不计 粘弹性流体：必须考虑因弹性形变导致的压力损失 9
毛细管流变仪
修正方法：
e0为Bagley修正因子
2
35
旋转流变仪
第二法向应力差的测量：
因为锥板结构可以测得第一法向应力差，而平行板结构可以测得第一 法向应力差和第二法向应力差的差，因此从原理上讲，可以分别利用 锥板和平行板结构分别测量的结果来计算第一法向应力差和第二法 向应力差。 1、从锥板的测量结果可得第一法向应力差：
N1 11 22
zz zz rr P rr rr r r r r 1 2 2 r
第一法向应力差可以通过近似结果计算
2 F 1 d ln F N1 R 1 R R 2 1 2 R d ln R
第六章 流变仪的基本原理及应用
6.1
毛细管流变仪 旋转流变仪
6.2
6.3
转矩流变仪
4
1
三种主流流变仪
1
恒速型（测压力）： eg.通常的高压毛细 管流变仪 恒压型（测流速）： eg.塑料工业常用的 熔体指数测量仪 重力型： eg.乌氏粘度计
2
根据夹具几何构造的不同 分三类：锥-板型 平行板型 同轴圆筒型
零长毛细管流变仪法测量PVC样品在不同辊温下素炼后的凝胶化程度
13
流率最大时
毛细管流变仪
凝胶度：
流率最小时
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毛细管流变仪
出口区的流动行为
1、挤出胀大现象 产生原因
B、 A、
影响因素
A、高分子链结构及物料配方对挤出胀大现象有明显影响 B、毛细管长径比和料筒尺寸影响挤出胀大比 B
= d/D
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毛细管流变仪
Tn 1 K r KR 2 2 4K R L
2 n
2 n 1 Tn 1 K r R 2 4R L
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旋转流变仪
3、第一法向应力差的测量
假设应力张量可以写作
0 rr r r r r r r 0 0 zz r 0
熔体指数仪的基本结构与恒速型流变仪类似
不同之处：熔体指数测量仪中柱塞是变速运动 而后者是匀速运动
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毛细管流变仪
物料在毛细管中流动的三区域： 入口区、完全发展区、出口区
L: 毛细管总长 p1 :柱塞杆对聚合物熔体施加的压力
p0 :大气压
pe :出口处熔体压力
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毛细管流变仪
完全发展区的流场分析
1、Bagley 校正
压力梯度：
完全发展区 管壁上的剪切应力：
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毛细管流变仪
确定e0的实验方法
同一体积流量
实验中： 1、应保持Q恒定，若Q变，相当于 剪切速率改变， e0 也随之变化；
2、由于∆pent主要因流体贮存弹性
引起，故影响材料弹性的因素同样 会影响e0取值；
3、当长径比小、剪切速率大、温
长径比不同
度低时，不可忽略入口校正； 4、长径比>40时，∆pent所占比例 小可不做入口校正。