高分子物理---第九章聚合物的粘性流动
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高分子物理---第九章聚合物的粘性流动
熔融指数 MI(Melt Index)（熔体流动速率 MFR， Melt Flow Rate） 常用于塑料工业，在标准的熔融指数仪中进行，测
定方法是首先将高聚物加热到一定温度（PE 190 ℃、PP 230℃），使之熔融，然后加一定载荷（2160 克），使高聚物从标准的毛细管中流出，测定单位
小分子液体流动可用简单的孔穴模型来说明： 模型假设:① 液体中存在许多孔穴，且孔穴尺寸与小分子 液体尺寸相当；② 无外力作用时，分子热运动无规则跃迁， 和孔穴不断变换位置，发生分子扩散运动；③外力作用下， 分子沿外力方向优先跃迁，形成宏观流动。
高分子的流动不是简单的整个分子的迁移，而是通过 链段的相继跃迁来实现的。形象地说，这种链段类似 于蚯蚓的蠕动。这种链段模型并不需要在聚合物熔体 中产生整个分子链那样大小的孔穴，而只要如链段大 小的孔穴就可以了。
第9章
聚合物的粘性流动
Viscous flow (Rheology)
高分子物理---第九章聚合物的粘性流动
9.1 聚合物的粘性流动
----聚合物流变学基础
当高聚物熔体和溶液（简称流体）在受外 力作用时，既表现粘性流动，又表现出弹 性形变，因此称为高聚物流体的流变性或 流变行为
流变学是研究物质流动和变形的一门科学， 涉及自然界各种流动和变形过程。
高分子物理---第九章聚合物的粘性流动
9.1.3 聚合物流动性的表征
在成型过程中，聚合物熔体在挤出机、注射 机或喷丝板等的管道中的流动都属于剪切流 动（速度梯度的方向与流动方向垂直）因此， 在大多情况下，可以用剪切粘度来表示聚合 物熔体流动性的好坏。
工业上常用熔融指数来表示聚合物熔体流动 性的大小.
高分子物理---第九章聚合物的粘性流动
各种流体的性质
BD
N
c
P
B D
N
P
t
N: 牛顿流体 D: 膨胀性流体
P: 假塑性流体 B: 宾汉流体
高分子物理---第九章聚合物的粘性流动
(3) 高分子流动时伴有弹性形变
高分子的流动并不是高分子链之间简单滑移 的结果, 而是各个链段协同运动的总结果.
在外力作用下, 高分子链(链段)不可避免地要 在外力作用的方向有所伸展(取向), 当外力撤除后, 高分子链又会卷曲(解取向), 因而整个形变要回复 一部分, 表现出高弹形变的特性
高分子物理---第九章聚合物的粘性流动
高聚物流体
弹性：分子链构象不断变化
粘性：流动中分子链相对移动 —— 非牛顿流体
非牛顿流体的流变行为用幂律方程表示
= K n
K, n = const.
n = 1, 牛顿流体 n > 1, 膨胀性流体 n < 1, 假塑性流体
n与1相差越大, 偏 离牛顿流体的程 度越强
时间（10min）所流出高聚物的克数 g/10min，表 示方法为
2F2B
表示改性情况
表示密度范围 1.ρ<0.922
2.=0.923~0.946
高分子物理---第九章聚合物的粘性流动
MFR=2
用途 Film
9.1.4 聚合物熔体的流动曲线
logloglog Kn loglogKnlog
log 第一牛顿区
外力的大小与作用时间
高分子物理---第九章聚合物的粘性流动
形变
聚合物分子量与粘流温度的关系
M1 M2 M3 M4
M1 < M2 < M3 < M4
温度
非晶聚合物成型加工温度范围：Tf ~ Td (分解温度)
如果聚合物的粘流温度太高，会造成成型加工困难，甚至会使 聚合物在加工过程中热分解，因此，聚合物的分子量不宜太高， 只要满足其机械强度即可。
高分子物理---第九章聚合物的粘性流动
9.1.2 影响粘流温度的因素
分子结构的影响
分子链越柔顺，粘流温度越低； 分子链的极性越大，粘流温度越高。
分子量的影响
分子量越大，分子运动时受到的内摩擦阻力越大； 分子量越大，分子间的缠结越厉害，各个链段难以向
同一方向运动，因此，粘流温度越高。
外力的影响
高分子物理---第九章聚合物的粘性流动
聚合物的熔融指数 Melt index ——简称MI
在一定的温度下和规定负荷下, 10min内从 规定直径和长度的标准毛细管内流出的聚合物 的熔体的质量, 用MI表示, 单位为g/10min.
对于同种聚合物而言, 熔融指数越大, 聚合 物熔体的流动性越好. 但由于不同聚合物的测 定时的标准条件不同, 因此不具可比性.
高分子物理---第九章聚合物的粘性流动
(2) 高分子流动不符合牛顿流体的流动规律
对于牛顿流体，粘度不随剪切速率和剪切应力的 大小而改变。
切应变
d
dt
切应力 d 称为剪切速率,为流体的粘度
dt
1 N s / m 2 1 P a s , 1 泊 ( p o i s e ) 1 d y n s / c m 2 1 g / c m s 0 . 1 P a s
幂律区 假塑区
高分子物理---第九章聚合物的粘性流动
剪切粘度 Ν: =
零切粘度
0
Fra Baidu bibliotek
=
d d
c
=
d d
A
P
a
=
N 表观粘度
粘度
微分粘度 或稠度
0
0 a c
高分子物理---第九章聚合物的粘性流动
表观粘度(apparent viscosity)
非牛顿流体，粘度不为常数，随剪切速率而变，因此 严格地说，不具有“粘度”的性质，但为了方便和沿 用粘度的概念，常用“表观粘度”表示高聚物流动时 的粘稠性质。
高聚物流变学 ( rheology of polymers ) 研究的主要对象包括高聚物固体和流体， 本节主要以后者为对象，着得讨论聚合物 熔体的流动行为，介绍聚合物流变学的基 本观点和结论。高分子物理---第九章聚合物的粘性流动
9.1.1 聚合物粘性流动的特点
(1) 高分子的流动是通过链段的协同运动来完成的。 (所以粘度大, 流动性差)
表观粘度定义为流动曲线（ηa~ ）上某一点对应的 τ与 比值，ηa=τ/ ，它之所以不能真实反映高聚
物粘度，是因为粘度应该是对不可逆形变部分而言， 而高聚物在流动过程中包含着不可逆的粘性流动和 可逆的高弹形变，使得总形变加大，因而ηa<η。 由此可知，ηa 并不能完全反映流体不可逆形变的难 易程度，只能对流动性好坏作一个相对比较。
熔融指数 MI(Melt Index)（熔体流动速率 MFR， Melt Flow Rate） 常用于塑料工业，在标准的熔融指数仪中进行，测
定方法是首先将高聚物加热到一定温度（PE 190 ℃、PP 230℃），使之熔融，然后加一定载荷（2160 克），使高聚物从标准的毛细管中流出，测定单位
小分子液体流动可用简单的孔穴模型来说明： 模型假设:① 液体中存在许多孔穴，且孔穴尺寸与小分子 液体尺寸相当；② 无外力作用时，分子热运动无规则跃迁， 和孔穴不断变换位置，发生分子扩散运动；③外力作用下， 分子沿外力方向优先跃迁，形成宏观流动。
高分子的流动不是简单的整个分子的迁移，而是通过 链段的相继跃迁来实现的。形象地说，这种链段类似 于蚯蚓的蠕动。这种链段模型并不需要在聚合物熔体 中产生整个分子链那样大小的孔穴，而只要如链段大 小的孔穴就可以了。
第9章
聚合物的粘性流动
Viscous flow (Rheology)
高分子物理---第九章聚合物的粘性流动
9.1 聚合物的粘性流动
----聚合物流变学基础
当高聚物熔体和溶液（简称流体）在受外 力作用时，既表现粘性流动，又表现出弹 性形变，因此称为高聚物流体的流变性或 流变行为
流变学是研究物质流动和变形的一门科学， 涉及自然界各种流动和变形过程。
高分子物理---第九章聚合物的粘性流动
9.1.3 聚合物流动性的表征
在成型过程中，聚合物熔体在挤出机、注射 机或喷丝板等的管道中的流动都属于剪切流 动（速度梯度的方向与流动方向垂直）因此， 在大多情况下，可以用剪切粘度来表示聚合 物熔体流动性的好坏。
工业上常用熔融指数来表示聚合物熔体流动 性的大小.
高分子物理---第九章聚合物的粘性流动
各种流体的性质
BD
N
c
P
B D
N
P
t
N: 牛顿流体 D: 膨胀性流体
P: 假塑性流体 B: 宾汉流体
高分子物理---第九章聚合物的粘性流动
(3) 高分子流动时伴有弹性形变
高分子的流动并不是高分子链之间简单滑移 的结果, 而是各个链段协同运动的总结果.
在外力作用下, 高分子链(链段)不可避免地要 在外力作用的方向有所伸展(取向), 当外力撤除后, 高分子链又会卷曲(解取向), 因而整个形变要回复 一部分, 表现出高弹形变的特性
高分子物理---第九章聚合物的粘性流动
高聚物流体
弹性：分子链构象不断变化
粘性：流动中分子链相对移动 —— 非牛顿流体
非牛顿流体的流变行为用幂律方程表示
= K n
K, n = const.
n = 1, 牛顿流体 n > 1, 膨胀性流体 n < 1, 假塑性流体
n与1相差越大, 偏 离牛顿流体的程 度越强
时间（10min）所流出高聚物的克数 g/10min，表 示方法为
2F2B
表示改性情况
表示密度范围 1.ρ<0.922
2.=0.923~0.946
高分子物理---第九章聚合物的粘性流动
MFR=2
用途 Film
9.1.4 聚合物熔体的流动曲线
logloglog Kn loglogKnlog
log 第一牛顿区
外力的大小与作用时间
高分子物理---第九章聚合物的粘性流动
形变
聚合物分子量与粘流温度的关系
M1 M2 M3 M4
M1 < M2 < M3 < M4
温度
非晶聚合物成型加工温度范围：Tf ~ Td (分解温度)
如果聚合物的粘流温度太高，会造成成型加工困难，甚至会使 聚合物在加工过程中热分解，因此，聚合物的分子量不宜太高， 只要满足其机械强度即可。
高分子物理---第九章聚合物的粘性流动
9.1.2 影响粘流温度的因素
分子结构的影响
分子链越柔顺，粘流温度越低； 分子链的极性越大，粘流温度越高。
分子量的影响
分子量越大，分子运动时受到的内摩擦阻力越大； 分子量越大，分子间的缠结越厉害，各个链段难以向
同一方向运动，因此，粘流温度越高。
外力的影响
高分子物理---第九章聚合物的粘性流动
聚合物的熔融指数 Melt index ——简称MI
在一定的温度下和规定负荷下, 10min内从 规定直径和长度的标准毛细管内流出的聚合物 的熔体的质量, 用MI表示, 单位为g/10min.
对于同种聚合物而言, 熔融指数越大, 聚合 物熔体的流动性越好. 但由于不同聚合物的测 定时的标准条件不同, 因此不具可比性.
高分子物理---第九章聚合物的粘性流动
(2) 高分子流动不符合牛顿流体的流动规律
对于牛顿流体，粘度不随剪切速率和剪切应力的 大小而改变。
切应变
d
dt
切应力 d 称为剪切速率,为流体的粘度
dt
1 N s / m 2 1 P a s , 1 泊 ( p o i s e ) 1 d y n s / c m 2 1 g / c m s 0 . 1 P a s
幂律区 假塑区
高分子物理---第九章聚合物的粘性流动
剪切粘度 Ν: =
零切粘度
0
Fra Baidu bibliotek
=
d d
c
=
d d
A
P
a
=
N 表观粘度
粘度
微分粘度 或稠度
0
0 a c
高分子物理---第九章聚合物的粘性流动
表观粘度(apparent viscosity)
非牛顿流体，粘度不为常数，随剪切速率而变，因此 严格地说，不具有“粘度”的性质，但为了方便和沿 用粘度的概念，常用“表观粘度”表示高聚物流动时 的粘稠性质。
高聚物流变学 ( rheology of polymers ) 研究的主要对象包括高聚物固体和流体， 本节主要以后者为对象，着得讨论聚合物 熔体的流动行为，介绍聚合物流变学的基 本观点和结论。高分子物理---第九章聚合物的粘性流动
9.1.1 聚合物粘性流动的特点
(1) 高分子的流动是通过链段的协同运动来完成的。 (所以粘度大, 流动性差)
表观粘度定义为流动曲线（ηa~ ）上某一点对应的 τ与 比值，ηa=τ/ ，它之所以不能真实反映高聚
物粘度，是因为粘度应该是对不可逆形变部分而言， 而高聚物在流动过程中包含着不可逆的粘性流动和 可逆的高弹形变，使得总形变加大，因而ηa<η。 由此可知，ηa 并不能完全反映流体不可逆形变的难 易程度，只能对流动性好坏作一个相对比较。