最新流变学前三章
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第十三章+流变学
►
(四)流变学在贮库制剂处方设计中的应用
混悬剂的长效治疗作用，与药物在注射部位形成 的球形贮库的“坚固性”、比表面积和流动性质 有关 通针性：与药物粉末粒子大小、屈服值和滞后曲 线的面积有关，较粗的药物粉末或它们的絮凝粒 子易阻塞针头，而过细的粉末的混悬液也会因为 产生很高的屈服值而堵塞针头
(五)流变学性质对生物利用度的影响
► 流度：η的倒数，即1/η
► 运动粘度：液体的粘度η与同温度的密度ρ之比
值η/ρ，再乘以106
► ►
牛顿液体 ：服从牛顿定律的液体 牛顿流动 ：牛顿液体的流动形式
牛顿液体的特点：
►
一般为低分子的纯液体或稀溶液
►
►
一定温度下，牛顿液体的粘度η只是温度的函数
牛顿液体的粘度随温度升高而减小，粘度与温度的关系可用 Andrade公式表示：
(二)流变学在乳剂中的应用
►
影响乳剂粘性的主要因素是制剂浓度、粒度分布和乳 化剂的类型和浓度
►
稀乳剂表现为牛顿流动，高浓度乳剂表现为塑性流动 的特性
乳剂粒径较大时，在同样平均粒径条件下，粒度分布 宽的系统比粒度分布窄的系统粘度要低 乳化剂种类也会影响乳剂的流动性，乳化剂粘度越高， 制剂粘度越大
►
►
；剪切应变时，S=γG ； S为 应力， 为应变，E为延伸弹性率，G为剪切刚 性率。
► 弹性率大，能够发生变形的弹性界限就小，物
理性质表现为硬度大，有脆性，容易破坏；弹 性率小，表示物质柔软有韧性，不宜破坏。
► 例如：聚苯乙烯塑料E为3.4×1010，明胶E为
2.4×106，后者的韧性大，不易破碎。
► 蠕变性(creep) 物质被施加一定的压力而变形，并使
药剂学流变学基础课件
（二）剪切应力和剪切速度 剪切应力与剪切速度是表征体系流变性 质的两个基本参数。 流体的层流速度不同，形成速度梯度， 或称剪切速度。速度梯度的产生是由于 流动阻力的存在，流动较慢的液层阻滞 流动较快液层的运动。 使各液层间产生相对运动的外力叫剪切 力，在单位液层面积（A）上所需施加的 这种力称为剪切应力，简称剪切力。
胀性流体的结构变化示意图
(四)触变流动(thixotropic flow)
随着剪切应力增大，粘度下降，剪切应力消除后 粘度在等温条件下缓慢地恢复到原来状态的现象 称为触变性。 产生触变的原因：对流体施加剪切力后，破坏了 液体内部的网状结构，当剪切力减小时，液体又 重新恢复原有结构，恢复过程所需时间较长，因 而触变流动曲线中上行线和下行线就不重合。 触变流动的特点：等温的溶胶和凝胶的可逆转换。 塑性流体、假塑性流体、胀性流体中多数具有触 变性。
混悬剂在振摇、倒出及铺展时能自由流 动是形成理想的混悬剂的最佳条件。
（二）流变学在乳剂中的应用
乳剂在制备和使用过程中经常会受到各 种剪切力的影响，大部分乳剂表现为非牛 顿流动。 在使用和制备条件下乳剂的特性是否适 宜，主要由制剂的流动性决定。体现在乳 剂铺展性、通过性、适应性等方面。 掌握制剂处方对乳剂流动性的影响非常 重要。
塑性流体的结构变化示意图
(二)假塑性流动(pseudoplastic flow)
假塑性流动：没屈服值；过原点；剪切 速度增大，形成向下弯的上升曲线，粘 度下降，液体变稀。 假塑性液体的流动公式：D=Sn/a 或 log D=log 1/a +nlog S D为剪切速度；S为 剪切应力；a 为表观粘度(随切变速度的 不同而不同）；n>1， a 随S增加而增加。 在制剂中表现为假塑性流动的剂型有某 些亲水性高分子溶液及微粒分散体系处 于絮凝状态的液体。
流变学第一章
3高分子液体的奇异流变现象?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?无管虹吸拉伸流动和可纺性?各种次级流动?孔压误差和湾流压差?湍流减阻效应?触变性和震凝性高粘度与剪切变稀行为一般低分子液体的粘度较小温度确定后粘度基本不随流动状态发生变化如室温下水的粘度约为103pa
变形：是固体（晶体）材料的属性 ，而固体变形时， 表现出弹性行为，其产生的弹性形变在外力撤消时 能够恢复，且产生形变时贮存能量，形变恢复时还 原能量，材料具有弹性记忆效应。
牛顿流动定律——材料所受的剪切应力与剪切速率成正比。 流动过程总是一个时间过程，只有在一段有限时间内才能 观察到材料所受的应力与形变量成正比。
胡克定律——材料所受的应力与形变量成正比，其应力、应 变之间的响应为瞬时响应。一般固体变形时遵从胡克定律。
➢ 牛顿流体与胡克弹性体是两类性质被简化的抽象物体，实 际材料往往表现出远为复杂的力学性质如沥青、粘土、橡 胶、石油、蛋清、血浆、食品、化工原材料、泥石流、地 壳，尤其是形形色色高分子材料和制品，它们既能流动， 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 对于这类材料，仅用牛顿流动定律或胡克弹性定律已无法 全面描述其复杂力学响应规律，必须发展一门新学科 流变
加工流变学的研究课题：
➢ 加工条件变化与材料流动性质（主要指粘性和弹性）及 产品力学性质之间的关系；材料流动性质与分子结构及组分 结构之间的关系。
➢ 异常的流变现象（如挤出胀大现象、熔体破裂、拉伸共振 等现象）发生的规律、原因及克服办法；
➢ 加工操作单元（如挤出、注射、纺丝、吹塑等）过程的流 变学分析；
高聚物流变学导论
变形：是固体（晶体）材料的属性 ，而固体变形时， 表现出弹性行为，其产生的弹性形变在外力撤消时 能够恢复，且产生形变时贮存能量，形变恢复时还 原能量，材料具有弹性记忆效应。
牛顿流动定律——材料所受的剪切应力与剪切速率成正比。 流动过程总是一个时间过程，只有在一段有限时间内才能 观察到材料所受的应力与形变量成正比。
胡克定律——材料所受的应力与形变量成正比，其应力、应 变之间的响应为瞬时响应。一般固体变形时遵从胡克定律。
➢ 牛顿流体与胡克弹性体是两类性质被简化的抽象物体，实 际材料往往表现出远为复杂的力学性质如沥青、粘土、橡 胶、石油、蛋清、血浆、食品、化工原材料、泥石流、地 壳，尤其是形形色色高分子材料和制品，它们既能流动， 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 对于这类材料，仅用牛顿流动定律或胡克弹性定律已无法 全面描述其复杂力学响应规律，必须发展一门新学科 流变
加工流变学的研究课题：
➢ 加工条件变化与材料流动性质（主要指粘性和弹性）及 产品力学性质之间的关系；材料流动性质与分子结构及组分 结构之间的关系。
➢ 异常的流变现象（如挤出胀大现象、熔体破裂、拉伸共振 等现象）发生的规律、原因及克服办法；
➢ 加工操作单元（如挤出、注射、纺丝、吹塑等）过程的流 变学分析；
高聚物流变学导论
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
最新流变学复习(名词解释)
流变学：研究材料流动及变形规律的科学。
熔融指数：在一定的温度和负荷下，聚合物熔体每10min通过规定的标准口模的质量，单位g/10min。
假塑性流体：指无屈服应力,并具有粘度随剪切速率增加而减小的流动特性的流体。
可回复形变：先对流变仪中的液体施以一定的外力，使其形变，然后在一定时间内维持该形变保持恒定，而后撤去外力，使形变自然恢复。
韦森堡效应&爬杆现象&包轴现象：当圆棒插入容器中的高分子液体中旋转时，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，出现沿棒向上爬的“爬杆”现象。
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挤出胀大&弹性记忆效应：指高分子被强迫挤出口模时，挤出物尺寸要大于口模尺寸，截面形状也发生变化的现象。
冷冻皮层：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各向异性，产生法向应力效应。
松弛时间：是指物体受力变形，外力解除后材料恢复正常状态所需的时间。
Deborah数：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。
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。
表观粘度：非牛顿型流体流动时剪切应力和剪切速率的比值。
表观剪切黏度：表观粘度定义流动曲线上某一点τ与γ的比值。
入口校正：对于粘弹性流体，当从料筒进入毛细管时，由于存在一个很大的入口压力损失，因此需要通过测压力差来计算压力梯度时所进行的校正。
驻点：两辊筒间物料的速度分布中，在x’*处,物料流速分布中,中心处的速度=0,称驻点。
药剂学 第十四章 流变学基础
（二）剪切应力与剪切速度
力
粘度(viscosity):它表示物质 在流动时内摩擦力的大小
为使液层能维持一定的速度流动,必须施加一个 与阻力相等的反方向力,在单位液层面积上所施
加的这种力称为剪切应力S(shearing force):
简称切力.单位为N.m-2 Shear stress is the stress component parallel to a given surface, such as a fault plane, that results from forces applied parallel to the surface or from remote forces transmitted through the surrounding rock.
运动粘度:即液体的动力粘度与同温度下该流体密度ρ之 比。用小写字母v表示。
旋转粘度计的类型很多，包括 同轴双筒旋转粘度计、单筒旋 转粘度计、锥板粘度计、转子 型旋转粘度计，可以根据实际 需要来选择不同类型的粘度计。
圆锥平板粘度计
針入度
在指定温度和外力下滑
脂被插入的深度叫“针 入 度”。
“针入度”越大则表明
力轴相交一点fB
使塑性体开始流动所需加的临界切应力即为屈服值 （yield value)
(二) 假塑性流体(pseudo plastic flow)
体系没有屈服值,流变曲线经过原点, 黏度随切 速增加而减少.显示这种流动性质的流体即为假 塑性流体. 从流动曲线某一特定点切线斜率的倒数求得的
黏度称为表观黏度(happ).表观黏度一定要标明
（二）流变学在乳剂中的应用
▪ 乳剂在制备和使用过程中经常会受到各种剪 切力的影响，大部分乳剂表现为非牛顿流动。
第三章 涂料中的流变学
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②范德华力 是分子和粒子之间作用力。粒 子越细，其表面积越大，范德华力越显著， 就越易絮凝。 ③静电斥力 颜料粒子表面往往带电荷，当 其分散于漆料中，粒子周围也形成同量的反 电荷，构成双电层现象，见图4-12。
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2、加氏气泡粘度计 见图6-12
测量原理：利用空气气泡在液体中的流动速度来测定 涂料产品的粘度。
操作简介：计时法，将透明待测试样注入管内充满至 刻度，塞上塞子，把一定量的空气封留在顶部。把试 管迅速垂直翻转180°，试样自重下流，封留的气泡 向上升触及管底。测出气泡在规定距离内的上升时间 （s）就表示管中液体的相对粘度。 结果表示：以时间秒（s）表示。
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3、分散体系的粘度
乳胶是一个分散体系，加有颜料的溶剂型涂料也是 一个分散体系。乳胶体系的粘度与分子量无关，其 粘度可用Mooneg公式计算：
K EVi ln ln o Vi 1
式中：η0—连续相（水相或漆液）的粘度； KE—颗粒的形状常数（球形最大其值=2.5）； Vi—分散相在体系中所占的体积分数； Ф—堆砌系数。
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3、促进分散体系稳定化的措施 实现理想分散的两个手段：配方和设备。 配方手段就是靠正确选择原料（包括颜料、 漆料及助剂，主要考虑其性价比），正确确 定用量。 选择合适的研磨设备减小颜料粒度，加大漆 料粘度是能够延缓沉降的因素。但粒度减小 和粘度增大都是有限度的。因此，使用助剂 是促进分散体系稳定性的重要手段。
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《流变学》 第三章 PART1~2
6.弹性模量随温度上升而增大：当温度升高时，分子链的热 运动加强，回缩力逐渐变大，弹性形变的能力变小，因而表 现为弹性模量随温度的上升而增大。
橡胶弹性的唯象理论 唯象理论：钱学森称唯象理论是知其然不知其所以然的科 学理论 。杨振宁把物理学分为实验、唯象理论和理论架 构三个路径，唯象理论是实验现象更概括的总结和提炼， 但是无法用已有的科学理论体系作出解释，唯象理论被称 作前科学，因为它们也能被实践所证实。而理论架构是比 唯象理论更基础的，它可以用数学和已有的科学体系进行 解释。
4.小应变时符合线性弹性：小应变时符合线性弹性，但它的 模量很低，为0.1-1MPa数量级，比玻璃态聚合物的模量低3-4 个数量级。它的体积模量则仍为103-104MPa,即K＞＞G,泊松比 ν=（3K-2G）/(6K+2G)=0.5。 5.变形时有热效应:当把橡胶试样急速拉伸（绝热拉伸）时， 试样温度升高。这种热效应虽然不很强烈，但随伸长程度的 增加而增大。
1.变形的时间依赖性：流体的变形随时间不断发展，即 时间依赖性。 γ=σ/η=dγ/dt 考虑变形则：γ=(σ/η)t 2.流体变形的不可回复性：永久形变，当外力移除后， 变形保持不变（完全不回复）。聚合物熔体发生流动， 涉及到分子链之间的相对滑移，当然这种变形是不能回 复的。 3.能量散失：外力对流体所作的功在流动中转为热能而 散失，这一点与弹性过程中的贮能完全相反。 4.正比性：应力与应变速率成正比，粘度与应变速率无 关。
3.时间依赖性：橡胶受到外力时，应变是随时间发展的，但是 不会无限制增大而是趋近一个平衡值，即平衡应变εe。橡胶变 形是靠分子链段运动来实现的，整个分子链从一种平衡状态过 渡到与外力相适应的平衡状态，这个过程需要一定的时间。 强调：在非线性弹性这一流变学模式中讨论的是平衡时的应力应 变关系，他们已无时间依赖性。橡胶变形的时间依赖性不在非线 性弹性中考虑，而将在线性弹性这一模式中讨论。
食品物性学-食品流变特性 3-4章
食品物性学
食品流变特性
姓 名：邢亚阁 西华大学生物工程学院
本章主要内容
第一节 概述 第二节 液体食品的流变性 第三节 固体/半固体食品的 流变性
第一节 概述
1 食品流变学的定义及研究目的
1.1 食品Βιβλιοθήκη 变学流变学(Rheology)是研究材料的流动和变 形的科学，它与物质的组织结构有密切关系。 食品流变学主要研究作用于食品的应力和由此 产生的应变的规律，并用力、变形和时间的函 数关系来表示。
剪切应变ε用它在
剪切应力作用下转过 的角度(弧度)来表示， 即ε=θ=dx/dy。则剪切 应变的速率为：
dx / dy dx / dt du
dt dt
dy dy
剪切应力σ=F/A
牛顿粘性定律：
(2) 粘性流体的分类及特点
• 理想流体: 粘度为零的流体 • 牛顿流体： 服从牛顿粘性定律的流体 • 非牛顿流体：不服从牛顿粘性定律的流体
分散体系的特点:1) 分散介质和分散相都以各自独立 的状态(非平衡)存在；2) 每个分散介质和分散相之间 都存在着接触面，整个分散体系的两相接触面面积很 大，体系处于不稳定状态。
按分散粒子的大小分为如下三种:
1)分子分散体系:分散的粒子半径小于10-7cm,相当于 单个分子或离子的大小。此时分散相与分散介质形 成均匀的一相。因此分子分散体系是一种单相体系。 与水的亲和力较强的化合物，如蔗糖溶于水后形成 的“真溶液”。
（5）在食品制作过程中利用调节中间产品的流变特 性方法来达到调节产品组织结构的目的。如通过面 团粘弹性测定了解面筋的网络形成。
第二节 液态食品的流变特性
5.2.1 粘性流体的流变学基础理论
(1)粘性及牛顿粘性定律
食品流变特性
姓 名：邢亚阁 西华大学生物工程学院
本章主要内容
第一节 概述 第二节 液体食品的流变性 第三节 固体/半固体食品的 流变性
第一节 概述
1 食品流变学的定义及研究目的
1.1 食品Βιβλιοθήκη 变学流变学(Rheology)是研究材料的流动和变 形的科学，它与物质的组织结构有密切关系。 食品流变学主要研究作用于食品的应力和由此 产生的应变的规律，并用力、变形和时间的函 数关系来表示。
剪切应变ε用它在
剪切应力作用下转过 的角度(弧度)来表示， 即ε=θ=dx/dy。则剪切 应变的速率为：
dx / dy dx / dt du
dt dt
dy dy
剪切应力σ=F/A
牛顿粘性定律：
(2) 粘性流体的分类及特点
• 理想流体: 粘度为零的流体 • 牛顿流体： 服从牛顿粘性定律的流体 • 非牛顿流体：不服从牛顿粘性定律的流体
分散体系的特点:1) 分散介质和分散相都以各自独立 的状态(非平衡)存在；2) 每个分散介质和分散相之间 都存在着接触面，整个分散体系的两相接触面面积很 大，体系处于不稳定状态。
按分散粒子的大小分为如下三种:
1)分子分散体系:分散的粒子半径小于10-7cm,相当于 单个分子或离子的大小。此时分散相与分散介质形 成均匀的一相。因此分子分散体系是一种单相体系。 与水的亲和力较强的化合物，如蔗糖溶于水后形成 的“真溶液”。
（5）在食品制作过程中利用调节中间产品的流变特 性方法来达到调节产品组织结构的目的。如通过面 团粘弹性测定了解面筋的网络形成。
第二节 液态食品的流变特性
5.2.1 粘性流体的流变学基础理论
(1)粘性及牛顿粘性定律
流变学第三章PART
说明：
1、零剪切粘度往往不易从实验求得，许多研究者因此采用 表观粘度来替代。此时必须注意所取的不同温度下的值应 该是同一剪切速率或同一剪切应力下的表观粘度值，否则
计算不成立。严格地讲，这时求得的 Eη（有时称表观活化
能）不符合原先人们理解的粘流活化能的意义，但是相对 来看，只要各种参数相同，具有比较性，结果也能反映出 不同材料粘度的温度依赖性。
• 定性的理解—温度上升，分子无规则热运动加剧，分子间 距增大，较多的能量使材料内部形成更多的“空穴”（自 由体积），因而使链段更易于活动。
• 定量的理解：在温度远高于玻璃化温度Tg和熔点Tm
时（T＞T+100℃），高分子熔体粘度与温度的依赖
关系可用Andrade方程（Arrhenius方程）很好地描
a AeE / RT
E大 粘度对温度敏感
温敏材料
柔性链
E小
粘度对温度不敏感 对剪切速率敏感
切敏材料
a
PS PC
PE
POM
a PE
PS
醋酸纤维 PC
醋酸纤维
T
γ.
时温等效原理在流动曲线上的应用
同种高分子材料等温粘度曲线的两大特点：
• （1）温度升高，物料粘度下降； 温度对粘度的影响在低剪切速率 范围特别明显，尤其对零剪切粘 度的影响很大；
述：
0 (T ) KeE / RT
式中： η0（T）为温度T时的零剪切粘度；K为材料常数，K=η0 （T→∞）；R为摩尔气体常数，R=8.314J.mol-1.K-1;Eη 称粘流活化能，单位为J.mol-1。
由上式可知，温度升高，材料粘度下降。
粘流活化能
描述材料粘-温依 赖性的物理量。
定义：流动过程中，流动单元（对高分子材料而言即链段） 用于克服位垒，由原位置跃迁到附近“空穴”所需的最小能量 （单位：J.mol-1或kcal.mol-1）。
第三章 流变测量学
问题：
在稳态剪切流场中获得的流变参数与小 振幅振荡流场获得的参数有何关系？
Cox-Merz规则
() * () '2 () "2 ()
流变测量装置及其原理
流变仪
平行平板、同轴套筒
表面粘弹性 (Interfacial Viscoelasticity)
流变测量仪器和原理
毛细管粘度计
R 4 P
8QL
奥氏毛细管粘
M 2rh r 2r2h
M 2R12h1 2R22h 2
1 R22
2
R12
流体微元受力分析
B'C (r r)( )t (r r)t
CA'
r
(r r) t r
f ( ) r d
（3-31） （3-32）
F rddr
（3-33）
M 2 R r 2ddr 2R3
0 0
3
（3-34）
3M 2R 3
（3-35）
平行平板测试系统工作原理
u r
u r
hh
M 2 R r 2 dr 0
M R 4
2h
（3-39）
M
2h
R 4
（3-40）
非牛顿流体（平行平板）
" 0 cos 0
虚粘度（Image viscosity），表示材料的弹 性对复粘度的贡献
tan ' "
3）复柔量(Complex Compliance)
J*
* *
ei (t
0
0eit
)
0 0
ei
0 0
(cos
i sin ) J 'iJ"
J ' 0 cos 0
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
第14章 流变学基础
第十四章流变学基础第一节概述一、流变学的基本概念（一）流变学研究内容流变学—Rheology来源于希腊的Rheos=Sream（流动）词语，是Bingham和Crawford 为了表示液体的流动和固体的变形现象而提出来的概念。
流变学主要是研究物质的变形和流动的一门科学。
对某一物体外加压力时，其内部各部分的形状和体积发生变化，即所谓的变形。
对固体施加外力，固体内部存在一种与外力相对抗的内力使固体保持原状。
此时在单位面积上存在的内力称为内应力（stress）。
对于外部应力而产生的固体的变形，当去除其应力时恢复原状的性质称为弹性（elasticity）。
把这种可逆性变形称为弹性变形（elastic deformation）,而非可逆性变形称为塑形变形（plastic deformation）。
流动是液体和气体的主要性质之一，流动的难易程度与流体本身的粘性（viscosity）有关，因此流动也可视为一种非可逆性变形过程。
实际上，多数物质对外力表现为弹性和粘性双重特性，称为粘弹性物质。
（二）剪切应力与剪切速度观察河道中流水，水流方向一致，但水流速度不同，中心处的水流最快，越靠近河岸的水流越慢。
因此在流速不太快时可以将流动着的液体视为互相平行移动的液层，叫层流，如图14-1。
由于各层的速度不同，便形成速度梯度du/dy，或称剪切速度。
这反映流体流动的特征。
由于流动阻力便产生速度梯度，流动较慢的液层阻滞着流动较快液层的运动。
使各液层间产生相对运动的外力叫剪切力，在单位液层面积（A）上所需施加的这种力称为剪切应力，简称剪切力（shearing force），单位为N·m-2，以S表示。
剪切速度（rate of shear），单位为s-1，以D表示。
剪切应力与剪切速度是表征体系流变性质的两个基本参数。
图14-1 流动时形成的速度梯度二、流变学在药剂学中的应用流变学在药学研究中的重要意义在于可以应用流变学理论对乳剂、混悬剂、半固体制剂等的剂型设计、处方组成以及制备、质量控制等进行评价。
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变形可逆并完全恢复
流变学的非线性弹性理论来描述此类橡胶弹性理论
2.取向态 在力场和温度场等作用下，分子链将沿着外场方 向进行排列，聚合物的取向现象包括分子量、链 段、晶片和晶粒等取向
基本特征： 一维或二维有序结晶 高分子材料的力学性能、热性能和光学性能 等呈现各向异性
3.液晶态 ：介于有序晶态和无序的液态之间的一种中间状
bc
体积的分数变化
△V/V＝[(1＋)(1－)2-1] 由于<<1，<<1，故
△V/V≈－2
拉伸时，>1，<1，>0，>0， 压缩时，<1，>1，<0，<0，即长度缩小，截面增大
2.2.3 简单剪切和简单剪切流动 （Simple shear and simple shearing flow）
＝w/l=tan 称为剪切应变（Shear strain） 如应变很小，即 <<1，可近似地认为＝
分散体
剪切速率较高时，假塑性非牛顿流体
在剪切速率不断提高时，膨胀性的非 牛顿流体 三维结构的凝胶体 ，宾汉流体
聚合物形态的转变 ——聚合物形态的热Байду номын сангаас变
发生相交
线弹性体
线性粘性流体
发生相交
图1.1比容－温度曲线 (a)低分子材料 (b)结晶性高聚物
并非每种无 定形高聚物都 有这三种状态
图1.2 无定形聚合物的变形-温度曲线 （恒定外力作用下）
(1)多样性
分子结构有线性结构、交联结构、网状结构等
分子链可以呈刚性或柔性
流变行为多种多样，固体高聚物的变形可呈 现线性弹性、橡胶弹性及粘弹性。聚合物溶液 和熔体的流动则可呈现线性粘性、非线性粘性 、塑性、触变性等
(2)高弹性 聚合物特有的流变行为
(3)时间依赖性 聚合物的变形或流动具有较强的时间依赖 性，同一聚合物在短时间应力作用下呈现弹 性变形，而在较长时间作用下呈现粘性变形
在一定温度区间为液晶态。成型时的TLCP熔体，大分子 链的有序取向使分子链之间较少缠结，熔体粘度较低， 且对剪切作用十分敏感，有明显的剪切变稀的现象
聚合物形态的转变 ——聚合物粘弹态
无论聚合物的固态还是液态都呈现粘弹性， 聚合物的粘弹性说明了材料对时间的依赖性
线性粘弹性
非线性粘弹性
1.3.4聚合物流变行为的特性
流变学前三章
主要内容
第一章 绪论（1） 第二章 流变学的基本概念（2） 第三章 线性弹性（3） 第四章 线性粘性（4－5） 第五章 非线性弹性（6） 第六章 非线性粘性（7－10） 第七章 线性粘弹性 （聚合物的流动变形）（11－14） 第八章 聚合物的流变断裂与强度（15） 第九章 流变学的分子理论（16）
各向同性膨胀是均匀的变形（Homogeneous）。物体内
任何体积单元都变化3倍，当然物体不一定是立方柱体
2.2.2 拉伸和单向压缩 （Extension and uniaxial expension）
l′＝l b′＝b c′＝c V/V0＝2
＝1＋ <<1
ll
l
为长度的分数增量
＝1－ <<1 bb cc 为侧边的分数减量
态 优势：独特的流动性能
液晶纺丝时可避
免常见的高浓度
必然高粘度和高
a.溶致型液晶（Lyotropen mesophasem） 压力的工作点
其溶液的粘度-浓度和粘度-温度的变化不同于一般高 分子体系，它可以在较低的牵引拉伸比下，获得较 高的取向度
b.热致液晶聚合物（Thermotropic liquid crystal polymer TLCP
聚合物液态
聚合物溶体 悬浮体
1％以下的稀溶液，其性能不随时间 变化，属于牛顿流体 10％以上时，属于非牛顿的假塑性流 体，有剪切变稀的特征
高达60％，失去流动性,属于非牛顿的 宾汉流体
更高浓度时，高交联度和高粘度，成为 冻胶和凝胶 （非牛顿）
剪切变稀的特征，假塑性非牛顿流体 剪切变稠特征，即膨胀性非牛顿流体
对液体来说，变形随时间变化 ，其变形可用剪切速率 （Rate of shear）来表示
d
dt
2.3 应力（Stress）
单位面积上所受的力来表示受力情况，称之为应力t t＝df/ds
df为作用在表面上 无限小面积ds上的
力 在简单实验中力是均匀的，t＝f/s
2.4 接触力（内力）（Contact force）
称为伸缩比（Stretch ratio） >1，膨胀， <1，压缩, 3表示体积的变化
1aab bcc<<1 ，>0，膨胀，<0，压缩
abc
体积变化量△V/V0，V0是原始体积，△V是体积之变化量 △V/V＝3－1＝（1＋）3－1＝3＋32＋3
由于<<1 △V/V≈3
△V/V是边长的分数变化的3倍
1.4 聚合物流变学的应用
聚合物广泛应用于塑料、橡胶、纤维、薄膜和涂料等。它们 的加工成型和使用性能在很大程度上取决于其流变行为
➢流变学提出描述聚合物流变性的各种数学模式，从 而引入描述其流变行为的常数和函数，为开发新材料 提供表征其流变性的依据
➢聚合物流变性又是其加工成型的基础。粘度的温度依 赖性及剪切速率依赖性是确定加工工艺参数的重要依据
玻璃态
无定形区 高弹态
Tm >Tf Tf > Tm
粘流态
图1.3结晶型聚合物的变形-温度曲线
三种力学状态和两种转变
聚合物形态的转变 ——聚合物固体形态
弹塑态、玻璃态、高弹态、结晶态、取向态和液晶态
三种力学状态：
1.高弹态：粘流温度Tf到玻璃转化温度Tg之间的力学状
态 基本特征：
弹性模量低
延伸率大
➢研究聚合物的流变行为为研究聚合物的分子结构提供 了重要的信息。
第二章 流变学的基本概念
流变学
变形 流动
应力与应变的关系 应力与应变速率的关系
应力、应变、应变速率
2.1 简单实验 （Simple experiments）
实际材料发生的变形和受力情况是复杂 的，要找出其应力应变的关系十分困难
原因
在流变学中采用一些理想化的实验，使 应力和应变能很准确地定义和分析。这 种理想化的实验被称为简单实验
特点
材料均匀、各向同性，材料被施加的应力及发生的应变也 是均匀和各向同性，即应力、应变与坐标及其方向无关
2.2 应变（Strain）
2.2.1 各向同性的压缩和膨胀
比 更常见 和更常用
（Isotropic compression and expansion）
a′＝a b′＝b c′＝c
a b c
abc