聚合物流变学流变性能测定PPT课件
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瞬态流变实验，材料内部的应力，应变发
生阶跃变化，即相当于一个突然的起始流 动或终止流动。
▪ 根据物料的流动形式分：有剪切流动，拉 伸流动
Classification of Flow Geometries
(a) Shear
Pressure Flow: Capillary
Drag Flows:
(b) Elongation
▪ 振荡型流变仪: 用于测量小振幅下的动态力学
性能，结构同转子型流变仪，只是转子作小振幅 的正弦振荡。
▪ 按物料的形变历史，即按运动的时间依赖 性分，有：
稳态流变实验，材料内部的应力、温度、
剪切速率为常数，不随时间变化。
动态流变实验，材料内部的应力，应变场
发生交替变化，一般要求振幅要小，变化 以正弦规律进行。
▪ 物料在整个毛细管中的流力可分为三个区：入口 区，完全发展流动区，出口区。
2、完全发展区的流场分析
流体粘度等于流体承受的剪切应力除以 剪切速率。
对牛顿型流体的常数粘度和非牛顿型流 体的表观粘度均能成立。
（1）定义中所说的剪切应力和剪切速率都必 须是针对同一流体的测量；
（2）实际上剪切应力、剪切速率都不能直接 测量，必须通过一些直接测量的物理量来 求得剪切速率和剪切应力，求得粘度。
4.2 毛细管流变仪
1. The capillary rheometer (or viscometer) is the most common device for measuring viscosity.
2. Gravity, compressed gas or a piston is used to generate pressure on the test fluid in a reservoir.
3. A capillary tube of radius R and length L is connected to the bottom of the reservoir.
4. Pressure drop and flow rate through this tube are used to determine viscosity
▪ 毛细管流变仪: 根据测量原理不同可分为恒速
型和恒压型两种。
▪ 转子型流变仪: 根据转子几何构造不同又分为
锥板型、平行板型、同轴圆筒型等。橡胶工业常 用的门尼粘度计为一种改造的转子型流变仪。
▪ 转矩流变仪: 带有一种小型密炼器和小型螺
杆挤出机及口模，优点在于测量过程与实际加工 过程相似，测量结果更具工程意义，常见有 Brabender公司和Haake公司生产的塑性计。
第四章 流变性能测定
本章主要内容: ▪ 4.1 引言 ▪ 4.2 毛细管流变仪 ▪ 4.3 转矩流变仪 ▪ 4.4 熔融指数测量仪 ▪ 4.5 其它流变仪 ▪ 4.6 拉伸粘度测试
4.1引言
4.1.1 流变测量的目的：
（1）物料的流变学表征。 为材料设计、配方设计、工艺设计提供基础数据。
（2）工程的流变学研究和设计。 借助流变测量研究聚合反应工程、高分子加工工程及
1) 毛细管流变仪装料比较容易。由于多数聚合物熔体都太粘甚至在高温 时也很难注入，所以这一优点很重要；
2) 测试的温度和切变速率容易调节； 3) 切变速率及流动时流线的几何形状与挤出、注模时实际条件相似； 4) 除测量粘度外，还能从挤出胀大的数据中粗略估计聚合物的弹性； 5) 这种仪器还可用来研究挤出物表面织构及聚合物熔体破裂的现象； 6）分为恒应力型和恒速率型。
(b) Elongation
U n i a x i a l E l o n g a t i o n ( b 0 , 0 ) :
Moving clamps
For Melts & High-Viscosity Solutions *Stress and strain are independent of position throughout the sample
2．1运动方程及剪切应力的计算
假设：流体不可压缩，流场是等温的稳定层流，流道壁上无 滑移。出入口效应暂时不考虑。
考虑一个不可压缩流体在半径为R的圆管中的层流，取长度 为L、两端压差为△p的液柱，由于是稳定层流，所以图中虚 线部分的圆柱流体所受的力是平衡的，即在半径为r的圆柱面 上阻碍流动的粘滞阻力τ2πrL与两端压差所产生的使液柱流 动的推力△p πr2 互相平衡。
Concentrated Regime
Dilute Regime
Homogeneous
(s )-1deformation:* Nonhomogeneous deformation:
Cone-and-Plate Parallel Plates
Concentric Cylinder
Capillary
103102101100101102103104105
1、基本构造
核心部分是一套毛细管，具有不
同的长径比（通常L/D=10/1，20/1， 30/1，40/1等），料筒周围是恒温加 热套,内有电热丝。料筒内物料的上部 为液压驱动的活塞，物料经加热变为 熔体后，在柱塞压作用下，强迫从毛 细管挤出，由此测量物料的粘弹性。
根据测量原理的不同，毛细管流变
加工设备与模具设计制造中的流场及温度场分布，确定工 艺参数，研究极限流动条件及其与工艺过程关系，为完成 设备与模具CAD设计提供可靠的定量依据。 （3）检验和指导流变本构方程理论的发展。
通过流变测量，获得材料真实的粘弹性变化规律及与 材料结构参数间的内在联系，检验本构方程的优劣。
4.1.2 流变测量仪器分类：
仪分为恒速型和恒压型两类，恒速型
仪器预置柱塞下压速度为恒定，待测 定的量为毛细管两端压差，恒压型仪 器预置柱塞前进压力为恒定，待测量 为物料的挤出速度即流量。
▪ 入口附近有明显的流线收敛行为，影响物料刚刚 进入毛细管区的流动，使得流入毛细管一段距离 后，才能发展成稳定的流线平行的层流。
▪ 出口附近，管壁约束突然消失，弹性流体表现出 挤出胀大，流线发生变化。
Concentric Cylinder
Cone-and-Plate
Parallel Plates
Moving Clamps
Typical Shear/Elongation Rate Range & Concentration Regimes for Each Geometries
Leabharlann Baidu
(a) Shear
生阶跃变化，即相当于一个突然的起始流 动或终止流动。
▪ 根据物料的流动形式分：有剪切流动，拉 伸流动
Classification of Flow Geometries
(a) Shear
Pressure Flow: Capillary
Drag Flows:
(b) Elongation
▪ 振荡型流变仪: 用于测量小振幅下的动态力学
性能，结构同转子型流变仪，只是转子作小振幅 的正弦振荡。
▪ 按物料的形变历史，即按运动的时间依赖 性分，有：
稳态流变实验，材料内部的应力、温度、
剪切速率为常数，不随时间变化。
动态流变实验，材料内部的应力，应变场
发生交替变化，一般要求振幅要小，变化 以正弦规律进行。
▪ 物料在整个毛细管中的流力可分为三个区：入口 区，完全发展流动区，出口区。
2、完全发展区的流场分析
流体粘度等于流体承受的剪切应力除以 剪切速率。
对牛顿型流体的常数粘度和非牛顿型流 体的表观粘度均能成立。
（1）定义中所说的剪切应力和剪切速率都必 须是针对同一流体的测量；
（2）实际上剪切应力、剪切速率都不能直接 测量，必须通过一些直接测量的物理量来 求得剪切速率和剪切应力，求得粘度。
4.2 毛细管流变仪
1. The capillary rheometer (or viscometer) is the most common device for measuring viscosity.
2. Gravity, compressed gas or a piston is used to generate pressure on the test fluid in a reservoir.
3. A capillary tube of radius R and length L is connected to the bottom of the reservoir.
4. Pressure drop and flow rate through this tube are used to determine viscosity
▪ 毛细管流变仪: 根据测量原理不同可分为恒速
型和恒压型两种。
▪ 转子型流变仪: 根据转子几何构造不同又分为
锥板型、平行板型、同轴圆筒型等。橡胶工业常 用的门尼粘度计为一种改造的转子型流变仪。
▪ 转矩流变仪: 带有一种小型密炼器和小型螺
杆挤出机及口模，优点在于测量过程与实际加工 过程相似，测量结果更具工程意义，常见有 Brabender公司和Haake公司生产的塑性计。
第四章 流变性能测定
本章主要内容: ▪ 4.1 引言 ▪ 4.2 毛细管流变仪 ▪ 4.3 转矩流变仪 ▪ 4.4 熔融指数测量仪 ▪ 4.5 其它流变仪 ▪ 4.6 拉伸粘度测试
4.1引言
4.1.1 流变测量的目的：
（1）物料的流变学表征。 为材料设计、配方设计、工艺设计提供基础数据。
（2）工程的流变学研究和设计。 借助流变测量研究聚合反应工程、高分子加工工程及
1) 毛细管流变仪装料比较容易。由于多数聚合物熔体都太粘甚至在高温 时也很难注入，所以这一优点很重要；
2) 测试的温度和切变速率容易调节； 3) 切变速率及流动时流线的几何形状与挤出、注模时实际条件相似； 4) 除测量粘度外，还能从挤出胀大的数据中粗略估计聚合物的弹性； 5) 这种仪器还可用来研究挤出物表面织构及聚合物熔体破裂的现象； 6）分为恒应力型和恒速率型。
(b) Elongation
U n i a x i a l E l o n g a t i o n ( b 0 , 0 ) :
Moving clamps
For Melts & High-Viscosity Solutions *Stress and strain are independent of position throughout the sample
2．1运动方程及剪切应力的计算
假设：流体不可压缩，流场是等温的稳定层流，流道壁上无 滑移。出入口效应暂时不考虑。
考虑一个不可压缩流体在半径为R的圆管中的层流，取长度 为L、两端压差为△p的液柱，由于是稳定层流，所以图中虚 线部分的圆柱流体所受的力是平衡的，即在半径为r的圆柱面 上阻碍流动的粘滞阻力τ2πrL与两端压差所产生的使液柱流 动的推力△p πr2 互相平衡。
Concentrated Regime
Dilute Regime
Homogeneous
(s )-1deformation:* Nonhomogeneous deformation:
Cone-and-Plate Parallel Plates
Concentric Cylinder
Capillary
103102101100101102103104105
1、基本构造
核心部分是一套毛细管，具有不
同的长径比（通常L/D=10/1，20/1， 30/1，40/1等），料筒周围是恒温加 热套,内有电热丝。料筒内物料的上部 为液压驱动的活塞，物料经加热变为 熔体后，在柱塞压作用下，强迫从毛 细管挤出，由此测量物料的粘弹性。
根据测量原理的不同，毛细管流变
加工设备与模具设计制造中的流场及温度场分布，确定工 艺参数，研究极限流动条件及其与工艺过程关系，为完成 设备与模具CAD设计提供可靠的定量依据。 （3）检验和指导流变本构方程理论的发展。
通过流变测量，获得材料真实的粘弹性变化规律及与 材料结构参数间的内在联系，检验本构方程的优劣。
4.1.2 流变测量仪器分类：
仪分为恒速型和恒压型两类，恒速型
仪器预置柱塞下压速度为恒定，待测 定的量为毛细管两端压差，恒压型仪 器预置柱塞前进压力为恒定，待测量 为物料的挤出速度即流量。
▪ 入口附近有明显的流线收敛行为，影响物料刚刚 进入毛细管区的流动，使得流入毛细管一段距离 后，才能发展成稳定的流线平行的层流。
▪ 出口附近，管壁约束突然消失，弹性流体表现出 挤出胀大，流线发生变化。
Concentric Cylinder
Cone-and-Plate
Parallel Plates
Moving Clamps
Typical Shear/Elongation Rate Range & Concentration Regimes for Each Geometries
Leabharlann Baidu
(a) Shear