毛细管流变仪原理介绍全 ppt课件
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• 熔体流动时伴随高弹形变：因为在外力作 用下，高分子链沿着外力作用发生伸展， 当外力消失后，分子链又由伸展变为卷曲， 使形变部分恢复，表现出弹性行为。
高聚物流体的非牛顿性
高聚物流体
{ 弹性：分子链构象不断变化 粘性：流动中分子链相对运动
分子链构象的变化
流动性
以粘度的倒数表示流动性。按作用方式的不同,流动可分为剪切流动和 拉伸流动,相应地有剪切粘度和拉伸粘度。前者为切应力与切变速率之 比；后者为拉伸应力与拉伸应变速度之比。聚合物的结构不同，流动性 （或粘度）就不同。对于聚合物熔体，大多数是属于假塑性液体,其剪 切粘度随剪切应力的增加而降低,同时测试条件（温度、压力）、分子 参数（分子量及其分布、支化度等）和添加剂(填料、增塑剂、润滑剂 等)等因素对剪切粘度-剪切应力曲线的移动方向均有影响。对于拉伸粘 度，当应变速率很低时，单向拉伸的拉伸粘度约为剪切粘度的 3倍，而 双向相等的拉伸，其拉伸粘度约为剪切粘度的6倍。拉伸粘度随拉伸应 力增大而增大,即使在某些情况下有所下降，其下降的幅度远较剪切粘 度的小。因此，在大的应力作用下，拉伸粘度往往要比剪切粘度大一二 个数量级，这可使化学纤维纺丝过程更为容易和稳定。
• 假设一个立方体的长宽高分别为a，b，d。
基本概念-剪切应力（Shear stress）
剪切应力
F (N)
A (m 2 )
Pa
• 单位面积所受的剪切力（The applied force per unit area）
• 1 N/m2 = 1 Pa
基本概念-剪切应变（Shear strain）
• 单位 s-1
剪切粘度(Shear viscosity)
• 粘度就是流动的阻力
– 粘度越大，越难流动（蜂蜜，酸奶等）
– 粘度越小，越容易流动（水等）
剪切应力（施加外力） 剪切粘度 =
剪切速率（运动速度）
Pa.s
• 单位（Unit）
– Pascal second Pa.s (SI)
– Poise
聚合物加工实例
非牛顿流体
流变学研究对象： 包括非牛顿流体、粘弹性固体和流体与固体之间的物质（如 悬浮体）。
对于高分子来说，绝大多数的成型加工都是熔融状态下进行 的，特别是热塑性塑料加工。因此，高聚物在粘流温度下的 流动性和弹性，是其成型加工的首要性能。
非牛顿流体定义：凡不服从牛顿粘性定律的流体称为非牛顿 流体。
Shear Rate
Shear Rate
剪切变稀
Shear Rate
剪切增稠
Viscosity
Viscosity
Viscosity
Shear Rate e.g. 硅油, 悬浮液
Shear Rate e.g. 聚合物熔体
Shear Rate e.g. PVC糊等
流动曲线 Viscosity Flow Curves
Βιβλιοθήκη Baidu
P (CGS)
• 1 Pa.s = 10 P, 1 mPa.s = 1 cP
影响聚合物加工的流变性能主有：
* 聚合物的流动性
* 弹性 * 断裂特性
高分子材料流动性特点
• 粘度大流动性差：这是因为高分子链的流 动是通过链段的相继位移来实现分子链的 整体迁移，类似蚯蚓的蠕动。
• 不符合流动规律：在流动的过程中粘度随 剪切速率的增加而下降。
粘度的影响因素
• 材料的内部结构（材料配方、颗粒大小、颗粒分 布、分子量等）
• 温度（一般来说，温度越高，粘度越低）
• 剪切速率（或者拉伸速率）
• 时间 （触变性）
• 压力
(C,T,P,t,)
典型的流动曲线（Flow behavior）
牛顿流体
假塑性流体
胀塑性流体
Stress
Stress
Stress
即：在一定温度下，流体剪切应力与剪切速率不成正比的线 性关系，其粘度不是常数，而是随剪切应力或剪切速率而变 化的非牛顿粘度η。
剪切形变-流变学基本定义
• 剪切应力（Shear stress, σ）
– 单位面积所受的剪切力
• 剪切应变（Shear strain, γ）.
– 剪切形变除以高度
• 剪切（应变）速率（Shear rate, γ ）
Rheology: rheo (to flow) + logos (science)
流变学
流变学是力学中一门较新的分支学科，它主要研究各种材 料在应力、应变、温度、湿度、辐射等条件中与时间有关的变 形和流动的规律。
研究方法 主要有宏观与微观两种：
宏观法即经典的唯象研究方法，是将聚合物看作由连续质 点组成，材料性能是位置的连续函数，研究材料的性能是从建 立粘弹模型出发,进行应力-应变或应变速率分析。
– 剪切应变的快慢
• 剪切粘度（Shear viscosity, η）
– 剪切应力除以剪切速率
解释 :
• 应力：单位面积上的力
(多少)
• 应变：相对样品尺寸上的变形幅度 (多大)
• 剪切速率：随时间应变的变化率 (多快)
• 剪切粘度：在一定的条件下熔体是否容易流动
基本概念-剪切
A
d
b a
• 面积A = ab • 高 =d
微观法即分子流变学方法，是从分子运动的角度出发，对 材料的力学行为和分子运动过程进行相互关联，提出材料结构 与宏观流变行为的联系。(珠簧相空间理论、分子网络理论、 蛇行管理论）
领域
• 聚合物 – 我们需要理解熔体流动性能，从 而设计模具等
• 食品 – 良好的外观、质地和加工特性 • 涂料 – 储存寿命和表面流平性能 • 墨水 – 打印清晰度和准确计量 • 医药– 正确的配方定量，沉降性能等 • 还有：泥浆、钻井液、沥青、橡胶等
剪切应变
u (m)
d (m)
无量纲
• 剪切应变 （Shear strain）被简称为应变（Strain）， 剪切时物体所产生的相对形变量
• 无量纲，常常用%表示
基本概念-剪切速率（Shear rate）
剪切速率
t (s)
S-1
• 剪切应变速率（Shear strain rate）或者剪切 速率（Shear rate） ，表示剪切应变快慢
聚合物流变学
主要内容
• 基本概念
– 流变学定义（Definition of rheology） – 剪切流动（Shear） – 拉伸流动（Extensional）
流变学-Rheology
• 流变学是研究材料流动与变形的学科
“ the science of deformation and flow ”
高聚物流体的非牛顿性
高聚物流体
{ 弹性：分子链构象不断变化 粘性：流动中分子链相对运动
分子链构象的变化
流动性
以粘度的倒数表示流动性。按作用方式的不同,流动可分为剪切流动和 拉伸流动,相应地有剪切粘度和拉伸粘度。前者为切应力与切变速率之 比；后者为拉伸应力与拉伸应变速度之比。聚合物的结构不同，流动性 （或粘度）就不同。对于聚合物熔体，大多数是属于假塑性液体,其剪 切粘度随剪切应力的增加而降低,同时测试条件（温度、压力）、分子 参数（分子量及其分布、支化度等）和添加剂(填料、增塑剂、润滑剂 等)等因素对剪切粘度-剪切应力曲线的移动方向均有影响。对于拉伸粘 度，当应变速率很低时，单向拉伸的拉伸粘度约为剪切粘度的 3倍，而 双向相等的拉伸，其拉伸粘度约为剪切粘度的6倍。拉伸粘度随拉伸应 力增大而增大,即使在某些情况下有所下降，其下降的幅度远较剪切粘 度的小。因此，在大的应力作用下，拉伸粘度往往要比剪切粘度大一二 个数量级，这可使化学纤维纺丝过程更为容易和稳定。
• 假设一个立方体的长宽高分别为a，b，d。
基本概念-剪切应力（Shear stress）
剪切应力
F (N)
A (m 2 )
Pa
• 单位面积所受的剪切力（The applied force per unit area）
• 1 N/m2 = 1 Pa
基本概念-剪切应变（Shear strain）
• 单位 s-1
剪切粘度(Shear viscosity)
• 粘度就是流动的阻力
– 粘度越大，越难流动（蜂蜜，酸奶等）
– 粘度越小，越容易流动（水等）
剪切应力（施加外力） 剪切粘度 =
剪切速率（运动速度）
Pa.s
• 单位（Unit）
– Pascal second Pa.s (SI)
– Poise
聚合物加工实例
非牛顿流体
流变学研究对象： 包括非牛顿流体、粘弹性固体和流体与固体之间的物质（如 悬浮体）。
对于高分子来说，绝大多数的成型加工都是熔融状态下进行 的，特别是热塑性塑料加工。因此，高聚物在粘流温度下的 流动性和弹性，是其成型加工的首要性能。
非牛顿流体定义：凡不服从牛顿粘性定律的流体称为非牛顿 流体。
Shear Rate
Shear Rate
剪切变稀
Shear Rate
剪切增稠
Viscosity
Viscosity
Viscosity
Shear Rate e.g. 硅油, 悬浮液
Shear Rate e.g. 聚合物熔体
Shear Rate e.g. PVC糊等
流动曲线 Viscosity Flow Curves
Βιβλιοθήκη Baidu
P (CGS)
• 1 Pa.s = 10 P, 1 mPa.s = 1 cP
影响聚合物加工的流变性能主有：
* 聚合物的流动性
* 弹性 * 断裂特性
高分子材料流动性特点
• 粘度大流动性差：这是因为高分子链的流 动是通过链段的相继位移来实现分子链的 整体迁移，类似蚯蚓的蠕动。
• 不符合流动规律：在流动的过程中粘度随 剪切速率的增加而下降。
粘度的影响因素
• 材料的内部结构（材料配方、颗粒大小、颗粒分 布、分子量等）
• 温度（一般来说，温度越高，粘度越低）
• 剪切速率（或者拉伸速率）
• 时间 （触变性）
• 压力
(C,T,P,t,)
典型的流动曲线（Flow behavior）
牛顿流体
假塑性流体
胀塑性流体
Stress
Stress
Stress
即：在一定温度下，流体剪切应力与剪切速率不成正比的线 性关系，其粘度不是常数，而是随剪切应力或剪切速率而变 化的非牛顿粘度η。
剪切形变-流变学基本定义
• 剪切应力（Shear stress, σ）
– 单位面积所受的剪切力
• 剪切应变（Shear strain, γ）.
– 剪切形变除以高度
• 剪切（应变）速率（Shear rate, γ ）
Rheology: rheo (to flow) + logos (science)
流变学
流变学是力学中一门较新的分支学科，它主要研究各种材 料在应力、应变、温度、湿度、辐射等条件中与时间有关的变 形和流动的规律。
研究方法 主要有宏观与微观两种：
宏观法即经典的唯象研究方法，是将聚合物看作由连续质 点组成，材料性能是位置的连续函数，研究材料的性能是从建 立粘弹模型出发,进行应力-应变或应变速率分析。
– 剪切应变的快慢
• 剪切粘度（Shear viscosity, η）
– 剪切应力除以剪切速率
解释 :
• 应力：单位面积上的力
(多少)
• 应变：相对样品尺寸上的变形幅度 (多大)
• 剪切速率：随时间应变的变化率 (多快)
• 剪切粘度：在一定的条件下熔体是否容易流动
基本概念-剪切
A
d
b a
• 面积A = ab • 高 =d
微观法即分子流变学方法，是从分子运动的角度出发，对 材料的力学行为和分子运动过程进行相互关联，提出材料结构 与宏观流变行为的联系。(珠簧相空间理论、分子网络理论、 蛇行管理论）
领域
• 聚合物 – 我们需要理解熔体流动性能，从 而设计模具等
• 食品 – 良好的外观、质地和加工特性 • 涂料 – 储存寿命和表面流平性能 • 墨水 – 打印清晰度和准确计量 • 医药– 正确的配方定量，沉降性能等 • 还有：泥浆、钻井液、沥青、橡胶等
剪切应变
u (m)
d (m)
无量纲
• 剪切应变 （Shear strain）被简称为应变（Strain）， 剪切时物体所产生的相对形变量
• 无量纲，常常用%表示
基本概念-剪切速率（Shear rate）
剪切速率
t (s)
S-1
• 剪切应变速率（Shear strain rate）或者剪切 速率（Shear rate） ，表示剪切应变快慢
聚合物流变学
主要内容
• 基本概念
– 流变学定义（Definition of rheology） – 剪切流动（Shear） – 拉伸流动（Extensional）
流变学-Rheology
• 流变学是研究材料流动与变形的学科
“ the science of deformation and flow ”