第二章 流变学的基本概念2

(9) 触变性和震凝性
触变性（thixotropic）和震凝性（rheopectic）指在等温条件下，某 些液体的流动粘度随外力作用时间的长短发生变化的性质。粘度变 小的称触变性，变大的称震凝性，或称反触变性。
触变性: 一些高分子胶冻/高浓度的聚合 物溶液/一些填充高分子体系如炭黑混炼橡 胶。可怕的沼泽地也可归于触变性流体。 震凝性: 适当调和的淀粉糊/工业用混凝 土浆/某些相容性差的高分子填充体系等。
ω
ω
法向 应力
牛顿流体
非牛顿流体
粘弹性体的这种爬杆效应就称为 “爬杆效应”或Weissenberg效应 或“包轴效应”
Weissenberg效应产生的原因：高分子液体是一种具有弹性的液体，当在 外力作用下旋转流动时，具有弹性的大分子链会沿着圆周方向取向和形变 拉伸，从而产生一种朝向轴心的压力（法向应力），迫使液体沿棒爬升。

(8) 湍流减阻效应

在高速的管道湍流中，若加入少许高分子物质，如聚氧化 乙烯（PEOX），聚丙烯酰胺（PAAm），则管道阻力将大 为减少，又称Toms效应。 机理目前尚不完全清楚，但肯定与高分子长链柔性分子的 拉伸特性有关。具有弹性的大分子链的取向改变管流内部 的湍流结构，使流动阻力大大减少。 石油开采、输运、抽水灌溉、循环水等工农业生产中具有 重要意义。
第二章 流变学的基本概念2 高分子材料典型流变学行为
高分子流变学
研究高分子材料的流动与变形
高分子材料典型的流变学行为
(1) 魏森贝格效应 (Weissenberg )
1944年Weissenberg在英国伦敦帝国学院，公 开表演了一个有趣的实验：在一只有黏弹性流 体（非牛顿流体的一种）的烧杯里，旋转实验 杆。对于牛顿流体，由于离心力的作用，液面 将呈凹形；而对于黏弹性流体(非牛顿流体)， 却向杯中心流动，并沿杆向上爬，液面变成凸 形，甚至在实验杆旋转速度很低时，也可以观 察到这一现象。
利用包轴现象可以设计出一种 圆盘挤出机，熔融的物料从加 料口加入，在旋转流动中沿轴 爬升，而后从轴心处的排料口 排除，如左图所示。其优点在 于，制造方便。性能稳定，可 以用作橡胶加工螺杆挤出机的 喂料装置，可以提高混合效果 和基础挤出稳定性。
(2) 剪切变稀现象(shear thinning)短管波Fra bibliotek形鲨鱼皮形
竹节形
螺旋形
不规则破碎形
熔体破裂现象影响着高分子材料加工的质量和产率的提高（受 临界剪切速率的影响）
(5)无管虹吸、拉伸流动和可纺性
对牛顿型流体，当虹吸管提高到离开液面时，虹吸现象立即终止。 对高分子液体，如聚异丁烯的汽油溶液或聚醣在水中的微凝胶体 系，当虹吸管升离液面后，杯中的液体仍能源源不断地从虹吸管流 出，这种现象称无管虹吸效应。
(7) 孔压误差和弯流压差
测量流体内压力时， 若压力传感器端面安 装得低于流道壁面， 形成凹槽，则测得的 高分子液体的内压力 将低于压力传感器端 面安装得与流道壁面 相平时测得的压力， 如下图中有ph p，这 种压力测量误差称孔 压误差。
孔压误差

其产生原因被认为在凹槽附近，流线发生弯曲 ，但法向应力差效应有使流线伸直的作用，于 是产生背向凹槽的力。 高分子液体流经一个弯型流道时，液体对流道 内侧壁和外侧壁的压力，也会因法向应力差效 应而产生差异。通常内侧壁所受的压力较大。
无管侧吸效应
(6) 各种次级流动
研究表明，高分子液体
在均匀压力梯度下通过 非圆形管道流动时，往 往在主要的纯轴向流动 上，附加出现局部区域 性的环流，称为次级流 动，或二次流动，在通 过截面有变化的流道时 ，有时也发生类似的现 象，甚至更复杂的还有 三次，四次流动。
椭圆管道
锥形口模

牛顿流体旋转时的次级流动是离心力造 成的。 高分子液体的次级流动方向往往与牛顿 型流体相反，是由粘弹力和惯性力综合 形成的。这种反常的次级流动在流道与 模具设计中十分重要。
挤出胀大现象产生的原因：其产生的原因也被归结为高分子熔体具有
弹性记忆能力所致，当高分子流体被迫挤出时即想恢复它原来的状态，从而 出现胀大。当熔体进入口模时，收到强烈的拉伸和剪切形变，其中
拉伸形变属弹性形变，这些形变在口模中只有部分得到松弛，剩余 部分在挤出口模后发生弹性恢复，从而出现挤出胀大现象。 挤出胀大现象影响到挤出制品的质量，对挤出成型工艺及挤出口 模和机头设计至关重要
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）
不同温度、压力、化学环境对聚合物流变行为的影响
分子量、分子结构、添加剂的浓度对聚合物性能的影响
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
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触变性和震凝性流体表现出奇异的流动曲线
值得指出的是，一般触变过程和震凝过程均规定为等温 过程；凡触变体均可视为剪切变稀的假塑性体，但假塑
性体未必为触变体；同样，凡震凝体均可视为剪切变稠
的胀流性体，但胀流性体未必为震凝体
通过对聚合物典型的流变学现象的研究，可以对聚合物的结 构和聚合物的材料加工，及测定方法和实际应用
牛顿型液体 （甘油水溶液）
ηP0 = ηN0
非牛顿型液体 （聚丙烯酰胺水溶液）
同时流尽
ηP0 = ηN0
长管
牛顿型液体 （甘油水溶液）
ηP0 = ηN0
非牛顿型液体 （聚丙烯酰胺水溶液）
高分子溶 液首先流尽
高分子溶液在重力作用下发生“剪切变稀”效应
剪切变稀现象产生的原因：
另外有一些高分子液 体，如高浓度的聚氯 乙烯塑料溶胶，在流 动过程中表现出粘度 随剪切速率增大而升 高的反常现象，称 “剪切变稠”效应。 通常把具有“剪切变 稀”效应的流体称为 假塑性流体，把具有 “剪切变稠”效应的 流体称为胀流性流体。
牛顿流体
非牛顿流体
无管侧吸效应：将一杯高分子溶液侧向倾倒流出，若使烧杯的位置部
分回复，以致杯中平衡液面低于烧杯边缘，但是高分子液体仍能沿壁 爬行，继续维持流出烧杯，直至杯中的液体全部流光为止。 这些现象都与高分子液体的弹性行为有关，这 种液体的弹性性质使之容易产生拉伸流动，而且 拉伸液流的自由表面相当稳定。 实验表明，高分子浓溶液和熔体都具有这种性 质，因而能产生稳定的连续拉伸形变，具有良好 的纺丝和成膜能力。
(4) 不稳定流动和熔体破裂现象
高分子熔体从口模挤出时，当挤 出速率（或应力）过高，超过某 一临界剪切速率（或临界剪切应 σc），就容易出现弹性湍流，导 致流动不稳定，挤出物表面粗糙。 随着挤出速率的增大，可能先后 出现波浪形、鲨鱼皮形、竹节形、 螺旋形畸变，最后导致完全无规 则的挤出物断裂，称之为熔体破 裂现象。
(3) 挤出胀大现象
高分子熔体在加工过程中从口模处挤出时，或用毛细管流变仪、熔体指 数仪进行粘度测量时，出口直径一般要大于流道的直径，有时可能要大 于3-4倍。当材料处于高弹态时，挤出胀大更为明显，这一现象就称之 为挤出胀大现象或口型膨胀效应。
牛顿流体 非牛顿流体
法向应力
挤出胀大现象
出口收缩
出口胀大