流变学基础

图8 与流变时间相关的非牛顿流体的流变图
第二节 基本概念
引入：
变形 流动 应力~应变 应力~应变速率
定义应力、应 变、应变速率
注意：
实际材料发生的变形和受力情况是复杂的，要找 出其应力~应变之间的关系十分困难。因此，在流变学 中采用一些理想化的实验——简单实验。
简单实验
（Simple experiment）
高分子液体的奇异流变现象
其力学响应十分复杂，而且这些响应还与 体系内外诸多因素相关，主要的因素包括高分 子材料的结构、形态、组分；环境温度、压力 及外部作用力的性质(剪切力或拉伸力)、大小 及作用速率等。下面简单介绍几种著名的高分 子特征流变现象。
高粘度与“剪切变稀”行为
1、现象：例：牛顿液体（N）：水、甘
图6无管虹吸效应
2、原因：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。
孔压误差和弯流压差
1、现象：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7中有Ph<P，这种压力 测量误差称孔压误差。
第一部分 流变学基础
第一章 流变学的基本概念
第一节高分子液体的奇异流变现象 第二节 基本概念 1 应变 2 应力 3 粘度与牛顿定律
第一章 流变学的基本概念
第一节 高分子液体的奇异流变现象
引入：高分子液体(熔体和溶液)在外力或 外力矩作用下，表现出既非胡克弹性体，又非 牛顿粘流体的奇异流变性质。它们既能流动， 又有形变，既表现出反常的粘性行为，又表现 出有趣的弹性行为。
形变不可恢复并耗散掉部分能量。--牛顿定律 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。-----胡克定律
流动
液体
粘性
耗散能量
产生永久形变
无记忆效应
牛顿定律
时间过程
变形
固体
弹性
贮存能量
形变可以恢复
有记忆效应
3、消除办法：当挤出温度升高，或挤
出速度下降，或体系中加人填料而导致 高分子熔体弹性形变减小时，挤出胀大 现象明显减轻。
不稳定流动和熔体破裂现象
1、现象：挤出物表面粗糙。随着挤出
速度的增大，可能分别出现波浪形、鲨 鱼皮形、竹节形、螺旋形畸变，最后导 致完全无规则的挤出物断裂，称之为熔 体破裂现象。
在各向同性膨胀中，任何形状的试样都变为几 何形状相似但尺寸较大的试样
长方体边长为a， b， c，膨胀后变为a‘， b‘，c‘， 每条边增加的倍数是相同的，即：
a a b b c c

a a

b b

c c
应变：
1
a a a

b b b

c c c
——边长变化量与原始长度比。
> 0 试样膨胀；
< 0 试样被压缩 注意：
描述变形的参数有、、V/V
另一种表示变形的方法：用体积变化量Δ V/V
V：原始体积； Δ V：体积变化量
V / V 1 (1 ) 1 3 3
变异，揭示了高分子这类物质因弱外部作用而
发生明显状态变化的软物质特性。
2 高分子材料流变学研究的内容和意义
高分子材料流变学研究的内容： 流变学可分为结构流变学和加工流变学
结构流变学：微观流学或分子流变学，主要研究高分子
材料奇异的流变性质与其微观结构（分子链结构、聚集
态结构）之间的关系，获得流动模型和本构方程，建立
触变性和震凝性
触变性和震凝性指在等温条件下，某些 液体的流动粘度随外力作用时间的长短 发生变化的性质。粘度变小的称触变性， 变大的称震凝性，或称反触变性。
一般来说，流体粘度的变化同体系内的 化学、物理结构的变化相关，因此发生 触变效应时，可以认为液体内部有某种 结构遭到破坏，或者认为在外力作用下 体系内某种结构的破坏速率大于其恢复 速率。而发生震凝效应时，应当有某种 新结构形成。
胡克定律
瞬时响应
液体流动与固体变形的一般性对比
流变性实质就是“固一液两相性”同存，是一 种“粘弹性”表现。但这种粘弹性不是在小变
形下的线性粘弹性，而是材料在大变形、长时
间应力作用下呈现的非线性粘弹性。
流变学的发展
科学流变学自诞生至今仅有四分之三个 世纪的时间。 1928年，美国物理化学家E.C.Bingham正 式命名“流变学(rheology)”的概念,次 年成立了流变学会，创办了流变学报 (Journal of Rheology)，一般将此公认 为流变学诞生日。
l991年，诺贝尔物理学奖得主，法国科学家de Gennes在研究高分子浓厚体系的非线性粘弹性 理论方面作出突出贡献，提出大分子链的蛇行
蠕动模型，合理处理了“缠结”(entanglement)
对高分子浓厚体系粘弹性的影响。
de Gennes 以“软物质”(soft matter)为题作
为其颁奖仪式的演讲题目，首次提出存人们熟 知的固体和液体之间，尚存在着一类”软物质” 的概念。
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。
绪论
流变学概念 流变学是一门研究材料流动及变形规律的科学。 聚合物流变学则是研究高分子液体，主要指高
分子熔体、高分子溶液，在流动状态下的非线性
粘弹行为，以及这种行为与材料结构及其他物理、 化学性质的关系。
流动是液体材料的属性，而变形是固体(晶体)
材料的属性。
液体流动时，表现出粘性行为，产生永久变形，
图 7 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，测得的压力值相等。高分子液体 有孔压误差现象。
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，使凹臵的压力传感器测得的液体内压 力值小于平臵时测得的值。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。
b、容易充模成型，节省能耗，减少机器磨损。
c、粘度的变化还与熔体内分子取向有关，将最 终影响制品的外观和内在质量。
3、剪切变稠：有一些高分子液体，如
高浓度的聚氯乙烯塑料溶胶，在流动过 程中表现出粘度随剪切速率增大而升高 的反常现象，称“剪切变稠”效应。通 常把具有“剪切变稀”效应的流体称为 “假塑性流体”，把具有“剪切变稠” 效应的流体称为“胀塑性流体”。
3 3 2 3
由于＜＜ 1，故
Δ V/V ≈ 3
即体积的分数改变ΔV/V是边长的分数变化的三倍。
1.2 拉伸和单向压缩
对于矩形断面试样（l, b, c）拉伸后，拉伸方向上l 增
加，另两方向上收缩，边长变为l', b', c'
l' =l b‘ =b c' =c
从字面上理解，软物质是指触模起来感 觉柔软的那类凝聚态物质。 严格些讲，软物质是指施加给物质瞬间 的或微弱的刺激，都能作出相当显著响 应和变化的那类凝聚态物质。
de Gennes以天然橡胶树汁为例，在树汁分子 中,只要平均每200个碳原子中有一个与硫发生 反应，就会使流动的橡胶树汁变成固态的橡胶。 这种如此小的结构变化而引起体系性质的巨大
Weissenberg效应
1、“爬杆”现象。这种现象称
Weissenberg效应，又称“包轴”现象。
图 2 高分子液体的“爬杆”效应
2、应用：圆盘挤出机
3、优点：结构简单，
制造方便，性能稳 定，用作橡胶加工 的螺杆挤出机的喂 料装臵，可提高混 合效果和改善挤出 稳定性。
图3 圆盘挤出机示意图
挤出胀大现象
湍流减阻效应
1、定义：湍流减阻效应指在高速的管
道湍流中，若加入少许高分子物质，如 聚氧化乙烯(PEOX)、聚丙烯酰胺(PAM)等， 则管道阻力将大为减小的现象，又称 Toms效应。
Hale Waihona Puke 2、原因：湍流减阻的机理目前尚不完
全清楚，但肯定与高分子长链柔性分子 的拉伸特性有关。具有弹性的大分子链 的取向改变管流内部的湍流结构，使流 动阻力大大减小。 3、应用：管流减阻在石油开采、输运、 抽水灌溉、循环水系统等工农业生产中 具有重要意义。
流变学是一个多学科交叉的边缘学科
1945年M．Reiner研究流体的非线性粘性 理论和有限弹性形变理论指出，欲使爬 杆现象的Weissenberg效应不出现，必施 以正比于转速平方的压力.
不久后, R.S.Rivlin得到了著名历史难 题Poynting效应——不可压缩弹性圆柱 体扭转时会沿轴向伸长——的精确解。
1、现象：是指高分子熔体被强迫挤出口模
时，挤出物尺寸d大于口模尺寸D，截面 形状也发生变化的现象。
图4 挤出胀大效应示意图
2 原因：高分子熔体具有弹性记忆能力
所致。熔体在进人口模时，受到强烈的 拉伸和剪切形变，其中拉伸形变属弹性 形变。这些形变在口模中只有部分得到 松弛，剩余部分在挤出口模后发生弹性 回复，出现挤出胀大现象。
宏观性质与微观结构的关系。