7.高聚物熔体的流变性质

第一章 高聚物熔体的流变性质

主要内容：（1）液体的流动类型 （2）高分子熔体的流动特征 （3）影响高聚物熔体粘度的因素 （4）高聚物熔体弹性效应的表现 （5）高聚物熔体粘度的测量方法

难点内容：弹性效应的理解

掌握内容：（1）牛顿流体和非牛顿流体的流动特征

（2）高聚物熔体的流动特征及影响流动温度的因素 （3）影响切粘度的结构因素及外在因素

理解内容：（1）高聚物熔体的流动机理

（2）高聚物熔体弹性效应的机理、现象及影响因素

了解内容：（1）高聚物熔体粘度的测量方法 （2）拉伸粘度的基本情况

§8 高聚物的基本流变性质 §8、1流变学的基本概念简介

一、流动的方式 1、速度方向 2、速度梯度方向 剪切流动 a 库爱特（拖流动）

b 泊肃叶（压力流） 拉伸流动

速度方向平行速度梯度方向 二.流体的基本类型

γ

γ⋅

=

=

⋅

=

⋅

=

dt

d dt

dy

dx dy

dt

dx dY

dv 11

(1) 牛顿流体

στ=η·γ (η为常数) 熔体结构不变 (2) 非牛顿流体 表观粘度ηa =

γ

τ

σ⋅

a.胀塑流体 n k a γ

γηστ⋅

⋅==⋅

γ↑ ηa b. 假塑性流体

στ=ηa γn

(n<1)

γ↑.ηa ↓ (剪切变稀) c. στ=σb + k γn

三.假塑性流体的基本特性

习题

1.名词解释

牛顿流体 非牛顿流体 假塑性流体 胀塑性流体 Bingham 流体 零切粘度 表观粘度 熔融指数 第一法向应力差 挤出胀大 真实粘度

2.大分子流动是如何实现的？

3.大分子流动的基本特征是什么？

4.流体流动的基本类型有哪些？分别用τ－γ、η－γ、lg τ－lg γ、lg η－lg γ曲线示意图。

5.分析假塑性流体流动的η－γ曲线，并从分子运动论的角度给予解释。

6.为什么粘流态高聚物的表观粘度小于其真实粘度？

7.用分子运动论的观点解释下列曲线：

(1)分子量对粘度的影响 (2)分子量分布对粘度的影响（α

1,α

2

为分布指数）

(3)柔顺性对粘－温特性的影响 (4)柔顺性对粘－切特性的影响

8.为了降低聚合物在加工中的粘度，对刚性和柔性链的聚合物各应采取哪些措施？

9.为了提高聚合物熔体在加工中的粘度的稳定性，对刚性柔性链聚合物各应严格控制哪些工艺条件？

10.试解释聚合物粘流态的粘度－温度等效性。

11.何为粘流活化能？它是在什么条件下测定的？刚性和柔性链的聚合物粘流态的粘流活化能大小如何？对加工有何影响？

12.何为非牛顿指数？它是如何测定的？刚性和柔性链的聚合物n 值大小如何？与加工有何关系？

13.比较HDPE和LDPE的下列参数大小：（分子量及分布相同）

(1)η

(2)△E

η

(3)η

∞

14.已知PIB 和PE的粘流活化能分别36.97×103J/mol和23.36×103J/mol。若使它们在148.9℃时的粘度降低一半，则温度各应升至多少度？（假定在γ→0的范围）

15.聚苯乙烯的熔体粘度在160℃时为1×103泊，试用WLF方程计算试样在120 ℃时的粘度。

16.高聚物熔体产生弹性效应的本质是什么？

17.高聚物熔体弹性效应有哪些表现？

18.用流变学观点说明高分子材料的非牛顿性表现在哪些方面？

19.高聚物熔体的弹性表现在哪些方面？它们对高聚物制品的性能各有什么影响？

20.说明填料的用量、粒径、比表面积和比表面自由能的大小对粘度和尺寸稳定性影响。

21.为什么在胶料中加入少量的再生胶可以提高其流动性和制品尺寸稳定性？

22.何为挤出胀大现象？举例说明减少胀大比的措施。

23.何为不稳定流动？聚烯烃熔体不稳定流动的类型有哪些？举例说明提高流动稳定性的措施。

24.在聚合物加工成型中，挤出机的柱塞负荷和温度因素对熔体粘度的影响如何？为控制分子链刚、柔程度不同聚合物熔体的流动性，应怎样考虑上因素？为什么？

25.PP 在用以上制造丙纶时什么要求分子量分布要窄，而用做塑料制品时要求分布要宽？

26.用于注射成型和熔融成纤的高聚物各自对分子量分布有不同的要求，为什么？

附表：

影响表观切粘度、粘流活化能及非牛顿指数的因素

习题解答

1.名词解释

牛顿流体：粘度不随剪切应力和剪切速度的大小而改变，始终保持常数的流体。 非牛顿流体：凡是不符合牛顿流体公式的流体，统称为非牛顿流体。 假塑性流体：流体粘度随着减切速度增大而减小的流体。 胀塑性流体：流体粘度随着减切速度增大而增大的流体。

Bingham 流体：当受到的剪切应力小于某一临界值r σ时不发生流动，而超过r σ时可以像

牛顿流体一样流动的流体。

零切粘度：对于非牛顿流体，剪切速度趋于零的粘度，即00

lim ηηγ→=。

表观粘度：对于非牛顿流体，剪切应力s σ与剪切速度γ 的比值，即γσ

η /s

a = 。

熔融指数：在一定温度下，熔融状态的高聚物在一定负荷下，十分种内从规定直径和长度的标准毛细管中流出的重量（克数）。

第一法向应力差：当非牛顿流体处于稳定剪切流动时，从中切出一个立方小体积元，并

且规定空间1为流体流动的方向，方向2与层流平面垂直，

2

22

111)(γγψσ

σ =-=N ，1N 称为第一法向应力差。

挤出胀大：当高聚物融体从小孔、毛细管或狭缝中挤出时，挤出物的直径或厚度会明显

的大于模口尺寸，这种现象叫挤出胀大。 真实粘度：聚合物在流动过程中同时由不可逆的粘性流动和可逆的高弹性变两部分所共

同表现出来的体系粘度值。

2.大分子流动是通过链段的位移来实现的。

3.（1）高分子运动是通过链段位移来实现完成的。 （2）高分子流动不符合牛顿流体的流动规律。

（3）高分子流动时拌有高弹形变。

4.流体流动的基本类型有牛顿流体和非牛顿流体，其中非牛顿流体还可以分为假塑性流体、胀塑性流体和Bingham 流体。

5.在假塑性流体流动的η-γ曲线中，可以看出非牛顿指数随着剪切速率的增大而减小。因为随着剪切速率的增大，分子链之间解缠结,处于不同流层之间的高分子链受到速度的剪切,力图进入同一流速层,导致高分子在流动方向上的取向,因此非牛顿指数随着剪切速率的增大而减小。

6.由于高聚物的流动过程中同时含有不可逆的粘性流动和可逆的高弹形变两部分,使总形变增大,而粘流态高聚物的表观粘度是对不可逆部分而言的,所以粘流态高聚物的表观粘度小于真实粘度.

7.（1）在分子量较小时，高聚物粘流活化能小，分子链段的缠结也少，分子链段能够在剪切力作用下充分运动；大分子量增大，分子链段的缠结较多，在剪切速度增大的条件下，分子链段的运动跟不上外界条件的变化，表现为非牛顿性，但是剪切速度减小时，分子链段又能够充分运动，表现为牛顿性。

（2）由曲线可以看出,1α的分布指数比2α大。因为熔体的剪切粘度与主要与重均分子量有关，在临界分子量以上，零切粘度与重均分子量的的3.4次方成正比，由零切粘度的高低，可以判断分子量的分布。从分子运动论的观点，分子量分布宽的聚合物，随着剪切应力的增大，小的分子链首先解缠结，发生延流动方向上的取向，导致高聚物粘度快