流变学
Rheology(流变学基础)
二．非牛顿流动
实际上大多数液体不符合牛顿粘度定律， 实际上大多数液体不符合牛顿粘度定律，如高分子溶 胶体溶液、乳剂、混悬剂、软膏以及固液、胶体溶液、乳剂、混悬剂、软膏以及固-液的不均匀 体系的流动。把这种不遵循牛顿粘度定律的物质称为非牛 不遵循牛顿粘度定律的物质称为 体系的流动。把这种不遵循牛顿粘度定律的物质称为非牛 顿流体，这种物质的流动现象称为非牛顿流动 非牛顿流动。 顿流体，这种物质的流动现象称为非牛顿流动。 非牛顿流体的剪切速度D和剪切应力S的变化规律，经 非牛顿流体的剪切速度D和剪切应力S的变化规律， 作图后可得四种曲线的类型：塑性流动、假塑性流动、 作图后可得四种曲线的类型：塑性流动、假塑性流动、胀 形流动、触变流动。 形流动、触变流动。 对于非牛顿流体可以用旋转粘度计进行测定。 对于非牛顿流体可以用旋转粘度计进行测定。
对于这种粘弹性， 对于这种粘弹性，我们用弹性模型化的弹簧和把 粘性通过模型的缓冲器的复合型模型加以表示： 粘性通过模型的缓冲器的复合型模型加以表示： 麦克斯韦尔（Maxwell） （一）麦克斯韦尔（Maxwell）模型 福格特（Voigt） （二）福格特（Voigt）模型 （三）双重粘弹性模型 （四）多重粘弹性模型
胀性液体的流动公式： 胀性液体的流动公式： /η D= Sn /ηa n<1，为胀性流体； n<1，为胀性流体； 当n接近1时，流动接近牛顿流动。 接近1 流动接近牛顿流动。
（d）胀性流动
胀性流体的结构变化示意图
• 胀性流动的特点：没屈伏值；过原点；切应速度很小时， 胀性流动的特点：没屈伏值；过原点；切应速度很小时， 液体流动速度较大，当切应速度逐渐增加时， 液体流动速度较大，当切应速度逐渐增加时，液体流动速度 逐渐减小，液体对流动的阻力增加，表观粘度增加， 逐渐减小，液体对流动的阻力增加，表观粘度增加，流动曲 线向上弯曲。 线向上弯曲。 • 在制剂中表现为胀性流动的剂型为含有大量固体微粒的高 浓度混悬剂如50%淀粉混悬剂、糊剂等。 50%淀粉混悬剂 浓度混悬剂如50%淀粉混悬剂、糊剂等。
流变学
4.τ-γ曲线上任一点的斜率dτ/dγ定义为该点的表观粘度。（×）
5.高聚物在应力松弛过程中，无论是线性还是交联的应力都不能松弛到零。（×）
6.物料在毛细管流变仪中流动，压力损失全部是由弹性能储存引起的。（×）
7.出口区的压力行为有挤出胀大现象和出口压力降不为零。（√）
高分子流变学也就可以定义为研究高分子材料流动和形变的科学。
20.高分子材料既具有固体弹性又具有液体粘性。
21高分子材料的流变性有以下特点：多样性，高弹性，时间依赖性。
22流变形变类型可分为最基本的三类：拉伸和单向膨胀，各同向性的压缩和膨胀以及简单剪切和简单剪切流。
23.牛顿流体的流动一般表现出以下特点：变形的时间依赖性，变形的不可回复性，能量耗散，正比性。研究方法有连续介质流变学和结构流变学。
1.联系应力张量和应变张量或应变速率张量之间的关系的方程称为本构方程，也称为流变状态方程
2.黏弹行为从基本类型上可以分为：线性和非线性的；从应力作用方式来看，又可以分为静态和动态的。对于高分子材料来说，蠕变和应力松弛是典型的静态行为的体现，而滞后效应则是动态黏弹性的显著体现.
10、流体流动的方式有很多，——简单流动——复杂流动。
1.简单流体或简单弹性体表现出（虎克弹性）（宾汉塑性）（牛顿流体）三种流变性质。
2.高分子材料内部结构的可划分为（近程一次结构）（构象二次结构）（聚集态三层结构）（织态四次结构)。
3.高分子材料的流变性的特点有（多样性）（高弹性）（时间依赖性）。
2、在加工的过程，随着应力及剪切速率的增大，物理键被破坏，黏度很快下降。（对）
3、炭黑含量越多、活性越大，触变现象就越显著，黏度随时间的下降也越大，但歪理已旦消除，黏度会逐渐恢复。（对）
流变学
什么是流变学？？流变学是物理学的一个分支,它主要研究材料在外力作用(应力、应变、温度、电场、磁场、辐射等)下的流动及其变形规律的科学。
弹性固体 (Elastic Solids)变形时遵从胡克定律-材料所受的应力与形变量成正比（σ=Eε）的固体，其应力与应变之间的响应为瞬时响应，称之为弹性固体。
理想流体（1）非粘性流体（帕斯卡流体）没有粘性的流体称之为非粘性流体，流动的时候没有阻力。
液体内部压力在任何方向上都相同。
（2）牛顿流体流动时符合牛顿流动定律-材料所受的剪切应力与剪切速率成正比的液体称之为牛顿流体。
高分子液体的奇异流变现象：1.高粘度与“剪切变稀”行为2.Weissenberg效应（爬杆效应）3.挤出胀大现象又称口型膨胀效应或Barus 效应。
不稳定流动和熔体破裂现象5无管虹吸，拉伸流动和可纺性6 各种次级流动7孔压误差和弯流压差9湍流减阻效应9 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。
粘流态下大分子流动的基本结构单元不是大分子整链，而是链段，分子整链的运动实际上是通过链段的相继运动实现的。
什么是软物质？从字面理解，软物质是指触摸起来感觉柔软的那类凝聚态物质。
严格些讲，软物质是指相对于弱的外界影响，比如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。
非牛顿流体分类①宾汉流体：需要最小切应力。
如油漆、沥青。
③假塑性流体：切力变稀，大多数聚合物熔体。
③胀流性流体：切力变稠，胶乳、悬浮体系等。
表现粘度随时间变化④触变体：η随t而增加而减小；内部物理结构的破坏；胶冻，油漆、有炭黑的橡胶。
⑤震凝体：η随t而增加而增大；某种结构的形成。
幂律方程P38 （2-73）升高粘度，降温，加压，加配合剂碳黑，碳酸钙，粘流活化能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。
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。
流变学简介.
流动公式：D=Sn/a
D
剪切力增大，
0 S
粘度下降， 液体变稀
没屈服值；过原点的凹形曲线
在制剂中表现为假塑性流动的剂型有：某些亲 水性链状高分子溶液及微粒分散体系处于絮凝
状态液体。
假塑性流体的结构变化示意图
a =Sn/D 产生原因：大分子或溶胶粒子本身结构是不对称 的，静止时有各种可能的取向，剪切力增大时，不 对称粒子逐渐将长轴转向流动方向排列，减小了对 流动的阻碍，表观粘度随之降低。剪切力越大，粒 子取向作用越完全，体系的表观粘度就越小
（二）假塑性流动（pseudoplastic flow）
假塑性流动的流动曲线随着 S 值的增大，粘 度下降的流动现象称为假塑性流动，其流动公 式如下所示：
D
S
n
a
(n>1)
切稀！越切越稀！
式中ηa ——表观粘度（apparent viscosity ）
如甲基纤维素、西黄蓍胶、海藻酸钠等链状高 分子的1%水溶液表现为假塑性流动，其原因是： 随着S值的增大，这些高分子的长轴按流动方向有 序排列，减少了对流动的阻力。
切力降低——下行线
滞后面积： 上行线和下形线不重合
S
环形曲线
衡量触变性大小的定量指标——滞后面积
D
S
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
D
S
触变流动的特点：塑性流体、假塑性流体、
一、牛顿流动
D 为剪切速度
S 为剪切应力
曲线的特点：一条通过坐标原点的直线
S=F/A=D =S/ D
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
第七章 流变学基础
塑性流体、假塑性流体、胀性流体、假黏性流体中多数具
有触变性。
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。
下的粘度。
根据公式得知牛顿液体的切变速度D与切变应力S 之间如下图所示，呈直线关系且直线经过原点。
(a)牛顿流动
二．非牛顿流动
实际上大多数液体不符合牛顿粘度定律，如高分子溶液 、胶体溶液、乳剂、混悬剂、软膏以及固-液的不均匀体 系的流动。把这种不遵循牛顿粘度定律的物质称为非牛顿 流体，这种物质的流动现象称为非牛顿流动。
非牛顿流体的剪切速度D和剪切应力S的变化规律，经 作图后可得四种曲线的类型：塑性流动、假塑性流动、胀 形流动、触变流动。
对于非牛顿流体可以用旋转粘度计进行测定。
（一）塑性流体 塑性流动的流动曲线：曲线不经过原点，在横轴 S 轴上 的某处有交点，得屈服值（yield value）或降伏值。 当切变应力增加至屈伏值时，液体开始流动，切变速度 D和切变应力S呈直线关系。液体的这种性质称为塑性流动 。引起液体流动的最低剪切应力为屈服值S0：
（二）假塑性液体
当作用在物体上的剪切应力大于某一值(S0) 时物体开始流动，表观黏度随着剪切应力 的增大而减小，这种流体称~ 特点：具有屈服值(S0) ，剪切应力超过S0 值时才开始流动。 剪切稀化 如MC、CMC等大多数高高分子溶液
（三）胀性流体
胀性流动曲线曲线经过原点，且随着切变应力的增大其粘 性也随之增大，表现为向上突起的曲线称为胀性流动曲线（ dilatant flow curve）。 胀性流体的流动公式： D= Sn /a n<1，为胀性流体； 当n接近1时，流动接近牛顿流动。
流变学基础
剂型设计和制备工艺过程中流变学的主要应用领域
(一）流变学在混悬剂中的应用
➢ 流变学可应用于讨论影响混悬液中分散粒子沉降时的粘 性及经过振荡从容器中倒出混悬剂时的流变性质的变化。 同时也可以应用于投药部位的洗剂的伸展性能等方面。混 悬液在静止状态下所产生的切变应力，如果只考虑悬浮粒 子的沉降，由于其存在的力很小，故可以忽略不计。但是 ，经过振摇后把制剂从容器中倒出时可以观察到存在较大 的切变速度。
D
S
S0
(b)塑性流动
η——塑性粘度（plastic viscosity）；S0——屈伏值、致流值或降伏 值，单位为dyne·㎝-2。
塑性流体的结构变化示意图
塑性流动的特点：不过原点；有屈伏值S0； 当切应力S< S0时，形成向上弯曲的曲线； 当切应力S> S0时，切变速度D和切应力呈 直线关系。
➢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。
（三）胀性流动（dilatant flow）
胀性流动曲线曲线经过原点，且随着切变应力的增大其粘 性也随之增大，表现为向上突起的曲线称为胀性流动曲线（ dilatant flow curve）。
胀性液体的流动公式： D= Sn /a n<1，为胀性流体； 当n接近1时，流动接近牛顿流动。
➢ 由外部应力而产生的固体的变形，如除去其应力，则固 体恢复原状，这种性质称为弹性（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性变形（plastic deformat- ion）。
流变学-精品医学课件
二、药物制剂的流变性质对不同制剂制备方法的影响 1、乳剂制备中的应用 2、软膏剂制备中的应用 3、混悬剂制备中的应用 4、栓剂制备中应用
四、心理流变学
外用制剂必须满足外观、涂展性、颜色、气味以及其他 患者心理上和感觉上能够接受的特性要求。
二、弹性与黏性
剪切应变 γ 剪切应力 S 剪切模量 G
S G
剪切模量的物理意义：
剪切速率( d ) D
dx
牛顿黏性定律：
S d D
dx
黏度 的物理意义：
D 1S
牛顿流体：黏性流体
三、黏弹性
黏弹性 黏弹体 应力松弛
特性参数： 曲线方程： S S0et / τ 蠕变 曲线方程： S / G(1 et / )
S
D V /
r /0
sp ( 0 ) /0
比浓 sp / C
lim sp
C0 C
第三节 流变性测定法
影响黏度的因素： 1、温度 Andrade式表示 Ae E / RT
2、压力 呈指数变化 3、分散相 粒子大小、浓度、黏度等 4、分散介质 化学组成、极性、pH等
黏度计 (一)毛细管黏度计
pR4t
8Vl
pt t 0 p0t 0t
黏度计 (二)落球黏度计
(三)旋转黏度计
同心双筒式
锥板型
平行板式
三、制剂流变性的评价方法
第四节 流变学在药剂学中的应用
流变学在药学中的应用领域
一、药物制剂的流变性质
与流变性质有关的药物Leabharlann 剂的性质(二)影响触变性的因素
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。
流变学PPT课件
流变学（Rheology ）的定义
• 流变学是研究物质形变和流动的科学流变学是研究流动与 变形的科学 。对于粉末冶金、塑料、油漆、印刷油墨、 清洁剂、石油等行业的科技人员来说，拥有流变学知识是 十分必要的。从物质状态来说，流变学的研究对象包括固 体、流体和悬浮体。因此流变学又可分为固体流变学、流 体流变学和悬浮体流变学。在工业生产与日常生活中，对 流体流变学的研究远远超过固体
16
•
由于高分子量和液晶相序的有机结合，液晶高分子具有一些优异
特性，拥有广泛的应用前景。例如，它是强度和模量最高的高分子，
能用于制造防弹衣、缆绳乃至航天器的大型结构部件；它可以是膨胀
系数最小的高分子，适于光纤的保护层；也可以是微波吸收系数最小
的耐热性高分子，特别适合制造微波炉具；它还可以是最具铁电性及
调。磁流变液的优良特性使其在航空航天（真空中）、
武器控制、机器人、噪声以及汽车、船舶与液压工程等领 域具有广阔的应用前景。
20
21
3
流体及其分类
• 流体是液体和气体的总称。流体是由大量的、不断作热运 动而且无固定平衡位置的分子构成的，它的基本特征是没 有一定的形状和具有流动性。通常依据在一定的温度和一 定的剪切应力作用下流体所表现出的特性，把其划分为牛 顿流体与非牛顿流体两大类。这个特性就是粘度，粘度是 表示体系对流动阻力的一种性质，它可以理解为液体流动 时表现出的内摩擦。以下，我们仅研究非牛顿流体
在许多疾病临床症状出现之前就可以观察到血液流变特性的改变因此及时了解血液流变特性的变化采取有效措施改善血液流变特性是预防和治疗疾病防止疾病恶化的重要手段之一正常情况下血液在外力血压的作用下在血管内流动并随着血管性状管壁情况和血管形状等及血液成分粘度的变化而变维持正常的血液循环
流变学简介
原理：在一定压力下，根据一定 容积的流体依靠压力差或自身的 质量，流过一定长度和半径的标 准毛细管所需的时间，计算出液 体的粘度。
乌氏粘度计比奥氏粘度 计多装了一个管，别且 在管连接处多加了一个 泡如此可使得测量管与 大气相连，从而使测量 管测量过程中压力保持 不变。可减少由液 面 变化引起的误差，提高 测量精度。
第
流变学在药剂学中的应用
流变学理论对乳剂、混悬剂、
半固体制剂等剂型设计、处方组成 以及制备、质量控制等研究具有重
要意义
（一）流变学在混悬剂中的应用
混悬剂静止状态时的剪切应力忽略不计，但振
摇后把制剂从容器中倒出时存在较大的剪切速
度
混悬剂在贮藏过程中若剪切速度小，则显示较
高的粘性；若剪切速度大，则显示较低的粘性
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－
四、触变流动
触变流动特点：
1)随着剪切应力变大，黏度下降，剪切应力消除 后黏度在等温条件下缓慢地恢复到原来状态， 此现象称为触变性； 2)曲线为环状滞后曲线（施加应力使流体产生流 动，流体的黏度下降，流动性增加，而停止流 动时，并不因应力的减少而立即恢复原状，而 是存在一定的时间差）。
D
切力增加——上行线
二、非牛顿流动
非牛顿流体(nonNewtonian fluid):不符合牛顿流动定律的
流变学蠕变
流变学蠕变摘要：1.流变学简介2.蠕变现象的定义和分类3.蠕变试验及其应用4.影响蠕变因素的分析5.蠕变控制方法探讨6.蠕变在工程领域的实例正文：一、流变学简介流变学是一门研究物质在应力作用下形变规律的学科。
它主要研究物质在不同应力下的形变特性，包括弹性、粘性和塑性等。
流变学在工程、地质、生物等领域具有广泛的应用。
二、蠕变现象的定义和分类蠕变是指材料在长时间内受到恒定应力作用而发生塑性变形的现象。
根据应力类型和变形特点，蠕变可以分为以下几类：1.应力蠕变：在恒定应力作用下的蠕变，如金属材料的蠕变。
2.应变蠕变：在恒定应变条件下的蠕变，如土壤和岩石的蠕变。
3.热蠕变：在温度变化引起的应力作用下的蠕变，如焊接结构的热蠕变。
4.腐蚀蠕变：在腐蚀环境下受力材料的蠕变，如钢铁结构的腐蚀蠕变。
三、蠕变试验及其应用蠕变试验是衡量材料蠕变性能的重要方法。
通过蠕变试验，可以评估材料的持久强度、耐疲劳性能和可靠性。
蠕变试验在材料科学研究、工程设计和实际应用中具有重要意义。
四、影响蠕变因素的分析1.材料性质：材料的弹性模量、屈服强度、断裂强度等性能指标对蠕变变形有重要影响。
2.应力水平：应力越大，蠕变变形越明显。
3.温度：温度对蠕变性能有显著影响，高温环境下材料的蠕变速度加快。
4.加载速率：加载速率越快，蠕变变形越小。
五、蠕变控制方法探讨1.合理设计材料：选用具有良好蠕变性能的材料，降低蠕变对结构的影响。
2.优化应力分布：合理分配结构中的应力，降低局部应力集中，减少蠕变损伤。
3.冷却措施：在高温环境下采用冷却措施，降低材料的蠕变速度。
4.改进加载方式：采用渐进式加载，减小加载速率对蠕变的影响。
六、蠕变在工程领域的实例1.桥梁和塔架结构：长期受荷载作用的桥梁和塔架结构，蠕变可能导致结构变形和裂缝。
2.核电站设备：核电站设备长时间在高温、高压环境下工作，蠕变可能导致设备损坏和事故。
3.石油管道：长距离输油、输气管道在内外压力作用下，蠕变可能导致管道变形和泄漏。
流变学定律
流变学是研究材料的流动和变形的科学，是一门介于力学、化学、物理与工程科学之间的新兴交叉学科。
流变学主要关注的是材料在应力、应变、温度和其它相关参数变化时表现出的响应。
在流变学中，有一些基本的定律和规律，其中最为著名的有：
1.虎克定律：又称为弹性定律，它指出在小变形情况下，固体的变形与所受的外力成正比。
这一规
律是由英国物理学家虎克于1678年首先提出的。
2.牛顿黏性定律：由英国科学家牛顿在1687年首先提出，它指出流体的应力和应变率成正比，符
合这一规律的流体被称为牛顿流体，包括水和空气等最常见的流体。
此外，还有塑性流体中的剪切应力小于某一数值时，就不能流动，大于该数值时，流体就能流动，这一数值被称为塑性应力。
这些定律和规律是流变学的基础，对于理解和预测材料的流动和变形行为具有重要意义。
第9章 流变学
絮凝了的溶胶也是假塑性系统，因为在切力作用下，絮凝
物的结构被切力所拆散，因而黏度降低。如完全拆散，黏度就 不能进一步下降。
§9-3
3、胀性流体
非牛顿流体
有些固体粉末的高浓度浆状体在搅动时，其体积和刚性都 有增加，故称为胀性系统。 特点是：①无塑变值，流变曲线从原点开始； ②黏度随切速D值的增加而升高，即具有切稠作用。 此类流体的流动行为也可用指数公式描述：
图9-2 奥氏黏度计
§9-2
2、转筒法
黏度
扭力丝
反射镜
对于研究非牛顿液体的流动状态，
多采用同心圆筒式、锥板式装置。在实 际工作中主要由它来确定流体的流型。 体系黏度、筒的转速和所加重量W
（或弹簧丝的偏转角 ）之间的关系：
W K
或
变速马达 图9-3 同心圆筒式黏度计
§9-2
适用于高黏度物质的研究。
25℃时经过15s就凝结成凝胶。
§9-3
异丁烯的苯溶液。
§9-3
（2）震凝性系统
非牛顿流体
震凝性系统是溶胶在外界有节奏的震动下变成凝胶。这种 节奏性震动可以是轻轻敲打、有规则的圆周运动或搅拌等。 例如，膨润土悬浮物在静置时凝结得很慢，但当轻轻震动
时，就会很快凝结起来。
将1.3％蒙脱土是悬浮体放入1cm直径的试管内，加一滴饱
和NaCl（或KCl）溶液，用橡皮棒有节奏地轻轻敲打试管，在
静止
图9-6 胀性流体的产生
搅动
§9-3
4、触变性流体
非牛顿流体
上述三种系统都有一个共同点，即其流变曲线都可用
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。
土流变学课件
1、流变旳概念
流变是指材料旳性质、状态随时间变化旳性质；
从第应1力节、变概形述旳角度，或者说从力学旳角度，土具有三个特
征：
非线性：涉及：应力和应变关系旳非线性；变形随时间 而变化旳非线性；应力随时间而变化旳非线性
弹性和塑性：经典弹塑性理论所描述旳 流变性：时间效应。主要涉及四种现象（主要体现）:蠕
第2节 土旳蠕变
相应于多种旳r－t曲线称作蠕变曲线。
r f1 ,t 或 r f2 ( ,t)
相应于多种t旳曲线称作等时曲线
1r,t 或 2 r,t
t2 t1 t= 0
r
3
2
1
等时曲线
t 儒变曲线
图8
第2节 土旳蠕变
但也常遇到稳定蠕变阶段连续时间很长，而不出现加速蠕 变阶段。所以，有人对加速蠕变是否存在表达怀疑，而以 为试验中所体现出旳加速蠕变是有试验条件所引起，如试 样工作截面旳降低，应力集中档。
第2节 粘滞性
一、粘滞性
粘滞性：液体（或气体）单元颗粒相互位移时体现出旳抵 抗位移旳特征。
牛顿液体：
泊＝达因秒 / 厘米2；粘滞流动不可逆
土旳粘度：多种不同介质旳粘度值变化范围很大。
空气：1.8×10-4泊
水：10-2泊
多种油：0.5～10泊
地壳：5×1022泊
土：106～1017泊
冰：1010～1015泊
微观流变学：研究物体旳构成和构造特征，以及物体单元颗粒 间旳相互关系等问题。研究微观过程。
土旳流变特征研究应用于两个方面：
1.剪切蠕变：涉及长久强度；边坡、挡墙位移、稳定 2.体积蠕变：建筑物沉降
第1节 概述
2、土流变学主要研究要点
土体流变学研究内容详细为下面4个方面：
流变学
14 流变方程的作用包括：
① 流变方程可以区分流体类型，即不同类型的流体要用不同的流变方程来描述；
② 从流变方程可以获得流体内部结构的有关信息，如相转变等；
③ 流变方程与有关流体流动方程相联立，可用于解决非牛顿流体的动量、热量和质量传递
等工程问题。
15 对一些简单的流变性质的描述也可用曲线形式表示，如剪切应力与剪切速率关系曲线、
20 分散体系可以是均匀的也可以是非均匀的系统。
⑴均匀分散体系是由一相所组成的单相体系，而非均匀分散体系是指由两相或两相以上所组
⑵成的多相体系。
⑶如果被分散的粒子小到分子状态的程度，则分散体系就成为均匀分散体系。
⑷非牛顿流体往往是一种非均匀分散体系。
21 对非均匀分散体系，被分散的一相称为分散相或内相，把分散相分散于其中的一相称为
1. 爬杆现象，又称韦森堡（Weissenberg）效应 2. 挤出胀大现象 3. 同心套管轴向流动现 象 4. 回弹现象 5. 无管虹吸现象 6. 次级流现象 35 粘弹性流体与触变/反触变流体的时间效应区别
粘弹性流体与触变性/反触变性流体均具有剪切的时间效应。 例如，当突然给一流体施加一剪切应力时，相应的剪切应变随时间而变化，其原因可明显地 分为两类 一类是对应粘弹性流体的，提供给流体的机械能（剪切应力提供）的一部分作为弹性能而储 存起来，相对于一特定的剪切应力，当逐渐达到其最大储存能量时，所需的能量供给速率降 低到仅用于维持流体的粘性流动，因此，相应的剪切速率随时间逐渐减小，最后达到恒定值。
26 使流体产生大于 0 的剪切速率所需要的最小剪切应力，称之为屈服值。屈服值的大小是 体系所形成的空间网络结构的性质所决定的。 27 与时间无关的粘性流体的共同特点：
流体内部物理结构的变化都是瞬间即可调整到与剪切力相适应的程度。即给定一个剪切 应力就对应一个剪切速率，反之，给定一个剪切速率就对应一个剪切应力，粘度或表观粘度 不随时间变化。 28 若粘性流体内部结构的变化需要一个较长的时间过程才能调整到与流动条件或静止条件 相适应的结构平衡状态，那么，在这种结构变化过程中，流体的宏观表现就是流体的表观粘 度与时间有关，这种流体就称为与时间有关的粘性流体。 28 在恒定的剪切应力或剪切速率作用下，流体表观粘度随时间连续下降，并在剪切应力或 剪切速率消除后，表观粘度随之恢复的现象，称为触变性。 29 反触变性流体在恒定的剪切应力或剪切速率作用下，流体表观粘度随时间而增加。其性 质正好与触变性相反。 30 触变性特征：
流变学
p
11 22 33
3
流变学基本物理量与基本概念
偏 应 力 张 量
第一法向应力差 第二法向应力差
流变学基本物理量与基本概念
应力张量不变量
I1 11 22 33
11 21 22 23 11 13 I2 12 22 32 33 31 33
流变学基本物理量与基本概念
应变速率张量的性质
a.对称性； b.应变速率张量随坐标转动而变换； c.应变张量也有三个不变量。
I xx yy zz
y y
zz
z z
2、角变形速率
流变学基本物理量与基本概念 流体-剪切速率
1 1 2 2
u y x t x 1t u x x xt x u y 1t t x u x yt y 2t u x y yt y u x 2t t y
流变学基础
Polymer Rheology
流变学概念
流变学是什么？
流变学是一门研究材料流动和变形规律的科学。高分子材料流 变学是研究高分子液体，主要是指高分子熔体、高分子溶液， 在流动状态下的非线性粘弹行为，以及这种粘弹行为与材料结 构及其它物理、化学性质的关系。
流动
流体
粘性
耗散能量
产生永久 变形
流变学基本物理量与基本概念
偏应力张量
11 12 13 21 22 23 31 32 33
11 12 13 p 22 23 0 21 31 32 33 0 0 p 0 0 0 p
v x v z z x v y v z z y v z 2 z
第4章聚合物流体的流变性
0
31
四.聚合物流体的特性及其表征
聚合物流体兼具黏性和弹性,导致其流体具有3个重要特性: (1)非牛顿剪切黏性 (2)拉伸黏性 (3)弹性
可以导出表征聚合物流体流变性的四个材料常数，用它们表征聚合 物流体的三个特性：
拉伸流动: 流体质点的运动速度仅沿着与流
动方向一致的方向发生变化。
剪切流动： 流体质点的运动速度仅沿着与流
②
↑至
cr时,流体呈切力变稀现象,
(第一牛顿区)
↓ (a)
③
(非牛顿区)
继续↑流体又表现为牛顿流动, 不变(∞)
(第二牛顿区)
由流动曲线可得到一些流变学量:
① 非牛顿流动指数n :表征流体偏离牛顿流动的程度
② 结构黏度指数△ ：（对某些流体）表征流体结构化的
程度
d lga d1/ 2
102
③ 最大松弛时间 max: cr的倒数（量纲为时间，有时用它度
第三节 聚合物流体的弹性
一、聚合物流体弹性的表征
1. 聚合物流体弹性的表现 (1)液流的弹性回缩
(2)流体的蠕变松弛 同轴旋转圆筒黏度计中的可回复形变与流动 (3)孔口胀大效应[巴拉斯(Barus)效应]
孔口胀大效应
(4)威森堡效应(爬杆效应) (5)剩余压力现象 (6)孔道的虚构长度 (7)反循环效应
Lmax、纤维强伸度乘积 1/△η
△η ↓ ， 可纺性↑ 成品质量↑
切力变稀流体的流动曲线
（四）有利于确定加工工艺条件
例:UHMW-PAN溶液
△
1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
加工温度应超过100℃
0.6
0.5
0.4
20
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聚合物流变学的概念，研究内容和应用：聚合物流变学是研究聚合物材料（熔体和溶液）流动及变形规律的一门科学。
研究内容：结构流变学（微观流变学，分子流变学;加工流变学（宏观流变学）;流变测量学（流变性能的表征和测量方法）;流变行为与数学模式。
聚合物流变性特点：多样性，高弹性，时间依赖性。
非线性弹性的特点：弹性形变大，弹性模量小，T增大模量增大，快速拉伸T增大回缩减小简单实验的条件：材料是均匀的，各向同性，被施加的应力及发生的应变也是均匀和各向同性的，及应力，应变与做标及其方向无关。
应力张量：用一个数组来表示三个方向上的应力矢量，式中九个应力分量组成的数组即
泊松比：材料在单行受拉或受压时横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值
剪切速率：流体的流动速度相对于圆流道半径的变化速率。
聚合物液体的奇异流变现象及原因。
高粘度与“剪切变稀”行为;Weissenberg效应;(爬竿现象)Barus效应;(挤出胀大现象)不稳定流动和熔体破裂现象;孔压误差和弯流压差
Toms效应(湍流减阻现象)：指在高速的管道湍流中加入少许高分子物质,如聚氧化乙烯( PEOX),聚丙烯酰胺(PAAm)等,则管道阻力将大为减少的现象。
高聚物长链柔性分子的拉伸特性,取向改变了管道内部的湍流结构.(高聚物加工中常加入橡胶来减少阻力)
表观粘度:由于假塑性流体的粘度随γ′和σ而变化，所以人们用流动曲线上某一点的σ与γ′的比值，来表示在某一值时的粘度，这种粘度称为表观粘度，用ηa表示
幂率定律:S=K”η^n 非牛顿指数 n＞1 膨胀性非牛顿流体; n＜1 假塑性流体; n=1 牛顿流触变性:在恒定温度下，材料受剪切作用后的表观粘度随时间连续下降，静止时粘度又随之恢复。
触变性材料必然是假塑性体，但假塑性体材料不一定是触变体。
形变梯度张量:设t1时刻物体内任一线元dX，在t2时刻占据的空间位置为dx，则定义t1、t2时刻间，物体内发生的形变梯度为F=Эx/ЭX.
影响聚合物熔体弹性的因素:高聚物的弹性形变是由链段运动引起的,当τ很小时，形变的观察时间t>>τ，则形变以粘性流动为主,当τ很大时，形变的观察时间t<<τ，则形变以弹性流动为主,剪切速率剪切速率增大，熔体的弹性效应增大；但如果剪切速率太快，毛细管内的分子链来不及伸展，则出口膨胀不太明显.温度温度升高，高分子的松弛时间τ变小，故熔体弹性减小τ = τoe∆E/RT ,分子量及分子量分布分子量大，或分子量分布宽，熔体的弹性效应明显τ = η /G 分子量大，熔体粘度高，τ相应变大，弹性效应明显,分子量分布宽，松弛时间分布也宽，τ大，弹性效应明显,流道的几何形状流道中管径突然变化，会引起不同位置处流速及应力分布情况的不同，发生高弹湍流,毛细管越长，弹性形变有充分的时间松弛，出口膨胀较少,其它长支链支化程度增加，熔体弹性增大加入增塑剂，缩短松弛时间，减少高聚物熔体弹性
线形粘性流动变形有哪些特点？1 变形的时间依赖性即流体的变形随时间不断发展2 流体变形的不可回复性3 有能量损失外力，对流体所做的功在流动中转化为热能而损失4 应力与应变速率成正比，粘度与应变速率无关
线性弹性也成为能弹性和胡克弹性。
其五个特点：变形小，变形无时间依赖性，在外里移除后完全回复，无能量损失，应力应变呈线性。
σ=Εε
温度,剪切速率,分子量大小对高聚物流动性的影响 1.分子量较低时或剪切速率较小时,表现为牛顿流体2.分子量越高,在越低的剪切速率时开始出现非线性3.剪切速率越大,在越低的M时就偏离牛顿流体4.剪切速率增加,粘度的分子量依赖性变小
降低聚合物在成型加工中的粘度，对刚性链和柔性链的聚合物各采取什么措施为宜？（1）柔性链高聚物为“切敏型”的, 即粘度对剪切应力和剪切速率敏感，主要是通过提高柱塞压力或螺杆转速，来降低粘度。
（2）刚性链高聚物为“热敏型”的,即粘度对温度敏感，主要是通过提高料筒温度，来降低粘度。
粘流活化能是描述材料粘-温依赖性的物理量。
定义为流动过程中，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。
在不同温度下测量液体的零剪切粘度值，以lg ～1/T 作图，从所得直线的斜率可方便求得粘流活化能的大小。
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。
线弹性适用于在低于玻璃化温度下的高聚物,非线性弹性适用于高于T g 时部分交联的高聚物.都不随时间改变.线性及非线性粘性则适用于高聚物溶液及高聚物熔体
温度对聚合物熔体粘度的影响对低分子物质，粘流活化能由下式表示 η/dT 表示粘度的温度依赖性，它也有活化能的概念。
分子量对聚合物熔体粘度的影响分子量较低或剪切速率较小时表现为牛顿流体。
随着分子
量的增大，开始出现偏离线性粘性，分子量越高，在越低的剪切速率时开始出现非线性。
随着剪切速率的增大，粘度的分子量依赖性变小。
剪切速率越大，在越低的分子量时就出现偏离牛顿流体的情况；曲线的钭率随剪切速率增大而减少。
何为内耗?产生内耗的原因是什么?内耗用什么表示?它与分子结构,温度和外力作用频率有什么关系?由于力学滞后而使机械功转换成热的现象，称为力学损耗或内耗。
高聚物受到交变力作用时会产生滞后现象，上一次受到外力后发生形变在外力去除后还来不及恢复，下一次应力又施加了，以致总有部分弹性储能没有释放出来。
这样不断循环，那些未释放的弹性储能都被消耗在体系的自摩擦上，并转化成热量放出。
内耗的表示：滞后角，内耗因子或力学损耗因子.温度的影响:温度很高时，链段运动很快，形变几乎不落后应力的变化，滞后现象几乎不存在;温度很低时，链段运动速度很慢，在应力增长的时间内形变来不及发展，也无滞后;只有在某一温度下（上下几十度范围内），链段能充分运动，但又跟不上应力变化，滞后现象就比较严重;增加频率与降低温度对滞后有相同的影响;降低频率与升高温度对滞后有相同的影响
线性粘弹性测量有两类不同的方法可用于确定线性粘弹性流变行为—静态方法和动态方法，它们都是测定在特定应力或应变条件下的流变响应曲线。
静态实验为在阶跃应力或应变作用下，观察应力或应变随时间的发展。
动态实验则采用谐变的应力或应变，来观察相应的应变或应力的响应。
高聚物材料在许多实际应用中，虽其最后的应变可以恢复到原状，但粘弹性并不符合玻耳兹曼叠加原理的线性关系，原因有二：第一，可能是应变或应变速率较大，不符合线性粘弹性的定义；第二，即使是小应变，但时间较长时，仍不能保持线性关系
线性粘弹性具备条件：应变史与应力史成正比，应变史具有加和性。
表现形式蠕变，松弛 时－温等效原理 要使高聚物中某个运动单元有足够大的活动性而表现出力学松弛现象，需要相应的松弛时间。
升高温度可以缩短松弛时间，所以同一力学松弛现象，既可在较高的温度和较短的时间内观察到，也可以在较低的温度和较长的时间内观察到。
因此升高温度和延长观察时间或降低频率对分子运动是等效的，这个等效性可以借助于移动因子a T 来体现：
式中T 为试验温度，T 0为参考温度。
图8是移动因子对温度的作图。
1~2.5,3.4,c c M M K M M M ααηα=<⎧⎫=⎨⎬=>⎩⎭2R T d E dT η
η∆=-)(0
T ηη
E
Boltzmann 叠加原理)()()(2211u t D u t D t -+-=σσε
ητ1'/1211)1(11
)(u t e E E u t D u t -+-+=
---η
τ2'/2212)1(11)(u t e E E u t D u t -+-+=---⎰∞--=i i i u d u
t D t )()()(σε
WLF 方程
九分析假塑性流体的流动曲线（画图）并从大分子运动角度给予解释。
(1) 第一牛顿区(基本运动单元：键角和键长)聚合物分子链虽受剪切速率的影响，分子链定向、伸展或解缠绕，但在布朗运动的作用下，它仍有足够的时间恢复为无序状态。
(2) 假塑区或剪切稀化区(基本运动单元：链段)在该区内，剪切作用已超过布朗运动的作用。
分子链定向、伸展并发生缠绕的逐渐解体，而且不能恢复。
(3) 第二牛顿区(基本运动单元：分子整链)在该区内，分子链的缠绕已完全解体。
当剪切速率进一步增加时，发生熔体破裂。
1 简述毛细管流变仪测量粘度的原理和方法。
测定流量Q 和ΔP （加入砝码的重量）的关系
可绘制不同的τ-γ曲线。
2 转矩流变仪有哪些用途？并对其典型塑化曲线（画图）中的物理参数进行描述。
用途 1 模拟实际生产条件,适宜于配方和工艺条件的优选;采用挤出机和各种口模配合,通过测量扭矩,温度及观察挤出物外观,可直观地了解螺杆转速,各区段温度分布对物料挤出性能的影响.转矩随时间的变化曲线（M ～t ）温度随时间的变化曲线（T ～t ）转矩随温度的变化曲线（M ～T ）2 测量熔体表观粘度
1 加料峰(投料后2-3转可以达到)
2 塑化峰(由于温度,剪切作用,干混料体积变小,转子的负荷
减小,因而扭矩下降;物料开始熔化,扭矩重新上升) 3 最大扭矩M p 4 平衡扭矩Mb(塑化均匀后,润滑剂发挥作用,扭矩下降,达到平衡扭矩) 5 塑化时间
剪切蠕变柔量J(t)是有材料性质决定的，是随时间单调增加的。