流变学课件

力学状态:结晶态、无定形态和液晶态 聚合物液态:溶体、悬浮体、分散体和熔体 固体聚合物:均质态、取向态和多相态 无定形态聚合物：玻璃态、高弹态和粘流态； 结晶型聚合物有晶体和熔体
流变性能与 时间有关，
粘弹性
聚合物液态
聚合物溶体 悬浮体
1％以下的稀溶液，其性能不随时间 变化，属于牛顿流体 10％以上时，属于非牛顿的假塑性流 体，有剪切变稀的特征
线性粘弹性
非线性粘弹性
1.3.4聚合物流变行为的特性
(1)多样性
分子结构有线性结构、交联结构、网状结构等
分子链可以呈刚性或柔性
流变行为多种多样，固体高聚物的变形可呈 现线性弹性、橡胶弹性及粘弹性。聚合物溶液 和熔体的流动则可呈现线性粘性、非线性粘性 、塑性、触变性等
(2)高弹性 聚合物特有的流变行为
高达60％，失去流动性,属于非牛顿的 宾汉流体
更高浓度时，高交联度和高粘度，成为 冻胶和凝胶 （非牛顿）
剪切变稀的特征，假塑性非牛顿流体 剪切变稠特征，即膨胀性非牛顿流体
分散体
剪切速率较高时，假塑性非牛顿流体
在剪切速率不断提高时，膨胀性的非 牛顿流体
三维结构的凝胶体 ，宾汉流体
聚合物形态的转变 ——聚合物形态的热转变
➢聚合物流变性又是其加工成型的基础。粘度的温度依 赖性及剪切速率依赖性是确定加工工艺参数的重要依据
➢研究聚合物的流变行为为研究聚合物的分子结构提供 了重要的信息。
第二章 流变学的基本概念
流变学
变形 流动
应力与应变的关系 应力与应变速率的关系
应力、应变、应变速率
2.1 简单实验 （Simple experiments）
聚合物结构流变学和聚合物材料加工流变学，及其测定方 法和实际应用
❖聚合物流变行为与数学模式（应力和应变的关系式或应 力和应变速率的关系式） ❖聚合物的流变行为与环境参数如温度、压力和化学环境 的关系 ❖参数如分子量、分子结构、添加剂的浓度等对聚合物流 变性能的影响 ❖聚合物流变性能的表征和测定方法 ❖聚合物流变学的实际应用
(3)时间依赖性 聚合物的变形或流动具有较强的时间依赖 性，同一聚合物在短时间应力作用下呈现弹 性变形，而在较长时间作用下呈现粘性变形
1.4 聚合物流变学的应用
聚合物广泛应用于塑料、橡胶、纤维、薄膜和涂料等。它们 的加工成型和使用性能在很大程度上取决于其流变行为
➢流变学提出描述聚合物流变性的各种数学模式，从 而引入描述其流变行为的常数和函数，为开发新材料 提供表征其流变性的依据
聚合物形态的转变 ——聚合物固体形态
弹塑态、玻璃态、高弹态、结晶态、取向态和液晶态
三种力学状态：
1.高弹态：粘流温度Tf到玻璃转化温度Tg之间的力学状
态 基本特征：
弹性模量低
延伸率大
变形可逆并完全恢复
流变学的非线性弹性理论来描述此类橡胶弹性理论
2.取向态 在力场和温度场等作用下，分子链将沿着外场方 向进行排列，聚合物的取向现象包括分子量、链 段、晶片和晶粒等取向
发生相交
线弹性体
线性粘性流体
发生相交
图1.1比容－温度曲线 (a)低分子材料 (b)结晶性高聚物
并非每种无 定形高聚物都 有这三种状态
图1.2 无定形聚合物的变形-温度曲线 （恒定外力作用下）
玻璃态
无定形区 高弹态
Tm >Tf Tf > Tm
粘流态
图1.3结晶型聚合物的变形-温度曲线
三种力学状态和两种转变
实际材料发生的变形和受力情况是复杂 的，要找出其应力应变的关系十分困难
原因
在流变学中采用一些理想化的实验，使 应力和应变能很准确地定义和分析。这 种理想化的实验被称为简单实验
特点
材料均匀、各向同性，材料被施加的应力及发生的应变也 是均匀和各向同性，即应力、应变与坐标及其方向无关
第一章 绪论
1.1 流变学概念
流变学(Rheology)是研究材料变形与流动的科学。聚合 物随其分子结构、分子量的不同，以及所处温度的不同 ，可以是流体或固体，它们的流动和变形的规律各不相 同，也即有着不同的流变性能。聚合物流变学系研究聚 合物及其熔体的变形和流动特性。
1.2聚合物流变学研究的内容
b.热致液晶聚合物（Thermotropic liquid crystal polymer TLCP
在一定温度区间为液晶态。成型时的TLCP熔体，大分子 链的有序取向使分子链之间较少缠结，熔体粘度较低， 且对剪切作用十分敏感，有明显的剪切变稀的现象
聚合物形态的转变 ——聚合物粘弹态
无论聚合物的固态还是液态都呈现粘弹性， 聚合物的粘弹性说明了材料对时间的依赖性
高分子流变学
纺织与材料学院
主要内容
第一章 绪论（1） 第二章 流变学的基本概念（2） 第三章 线性弹性（3） 第四章 线性粘性（4－5） 第五章 非线性弹性（6） 第六章 非线性粘性（7－10） 第七章 线性粘弹性 （聚合物的流动变形）（11－14） 第八章 聚合物的流变断裂与强度（15） 第九章 流变学的分子理论（16）
1.3 聚合物流变行为的特性
1.3.1经典的力学模式
刚体(Rigid solid):只考虑物体的平动和转动而不考虑 其形状的变化
线性弹性体（Linear elastic solid）或虎克弹性体
作用力和形变符合虎克定律 ＝E
物体是刚体还是弹性体取决于实验方法
1.3.2液体的经典模式
完全流体（Perfect fluid） 流体作用在任何表面上的力总是垂直于该表面
基本特征： 一维或二维有序结晶 高分子材料的力学性能、热性能和光学性能 等呈现各向异性
3.液晶态 ：介于有序晶态和无序的液态之间的一种中间状
态 优势：独特的流动性能
液晶纺丝时可避
免常见的高浓度
必然高粘度和高
a.溶致型液晶（Lyotropen mesophasem） 压力的工作点
其溶液的粘度-浓度和粘度-温度的变化不同于一般高 分子体系，它可以在较低的牵引拉伸比下，获得较 高的取向度
线性粘性流体（Linear viscous fluid）或牛顿流体
流动速度正比于所加之力 ＝
Hale Waihona Puke 1.3.3聚合物流变模式的形态
聚合物流变行为的多样性和多元性 聚合物的力学状态 聚合物形态的转变 聚合物粘弹态
聚合物的力学状态
聚合物没有明确的固态和液态的界限，固体和液体 的转化过程比低分子材料复杂得多，必须认识聚合 物力学形态的多样性