汇报人：杨成玉 2011年10月23日 聚合物流变学导论 学习交流报告 汇报人：杨成玉 2 汇报提纲 uIntroduction to Rheology uCotent of Polymer Rheology uMethod of Polymer Rheology uThe Basis of Viscoelastic Materials uStates of Matter uThe Main Rheological Behavior of Polymer 学习交流报告 汇报人：杨成玉 3 Introduction to Rheology u什么是流变学？ 流变学是物理学的一个分支，是主要研究材料在外界作用(应力、应变、 温度、电场、磁场、辐射等)下的变形和流动的科学 Rheology is “ the study of the flow and deformation of all forms of matter.”E. C. Bingham, M. Reiner Apr. 29th, 1929 “Everything Flows” 万物皆流 Heraclitus (赫拉克利特, 纪元前五 世纪的希腊哲学家) 学习交流报告 汇报人：杨成玉 4 Introduction to Rheology uGenesis of Rheology 英国物理学家麦克斯韦（1869年） v材料可以是弹性的，又可以是粘性的 v对于粘性材料，应变相同的情况下，应力不能保持恒定，而是以某一速率减小到零， 其速率取决于施加的起始应力值和材料的性质。这种现象称为应力松弛 v许多学者还发现，应力虽然不变，材料棒却可随时间继续变形，这种性能就是蠕变或 流动 一切材料都具有时间效应，于是出现了流变学 v1929年，美国在宾汉教授的倡议下，创建流变学会，随后荷兰、英国相继出现了流变 学会 v1948年国际流变学会议就是在荷兰举行 v法国、日本、瑞典、澳大利亚、奥地利、捷克斯洛伐克、意大利、比利时等国也先后 成立了流变学会 学习交流报告 汇报人：杨成玉 5 Introduction to Rheology uExamples for Applications of Rheology Polymer vPlastics; Rubbers; Fibers; Adhesives（粘合剂）; Coatings（涂料） v- Melts: Injection; Extrusion; Thermoforming （热加工）. v- Solids: Mechanical Properties ; Deformation; Fracture. Biology, Medicine vMedicament(药剂); Hemorheology（血液流变学） ; Muscle Chemical Engineering Geology，Rock Others: Drilling muds（钻探泥浆）, Cement（水泥） 学习交流报告 汇报人：杨成玉 6 汇报提纲 uIntroduction to Rheology uCotent of Polymer Rheology uMethod of Polymer Rheology uThe Basis of Viscoelastic Materials uStates of Matter uThe Main Rheological Behavior of Polymer 学习交流报告 汇报人：杨成玉 7 Cotent of Polymer Rheology u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 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 学习交流报告 汇报人：杨成玉 8 汇报提纲 uIntroduction to Rheology uCotent of Polymer Rheology uMethod of Polymer Rheology uThe Basis of Viscoelastic Materials uStates of Matter uThe Main Rheological Behavior of Polymer 学习交流报告 汇报人：杨成玉 9 Method of Polymer Rheology u理论模拟 宏观法（经典的唯象研究方法） v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 v纯弹性物体，可以用胡克定律来描述，对于牛顿流体，可以用“应力粘度 应变速率”来描述 微观法（分子流变学方法） v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 ，提出材料微观结构与宏观流变行为的联系 学习交流报告 汇报人：杨成玉 10 Method of Polymer Rheology u实验流变学 通过各种流变仪，包括挤出式流变仪，旋转式流变仪，振荡式流变仪， 转矩流变仪，拉伸流变仪来测量不同剪切应力下，流体粘度、流速等的 变化，再进行分析，从中得出该物质的模量、分子量等重要性质 u加工流变学 聚合物加工操作单元的流变学分析（挤出、注射、纺丝） 异常流变行为（挤出胀大、熔体破裂、拉伸共振、壁滑等） 多相高分子体系的流变学规律 学习交流报告 汇报人：杨成玉 11 汇报提纲 uIntroduction to Rheology uCotent of Polymer Rheology uMethod of Polymer Rheology uThe Basis of Viscoelastic Materials uStates of Matter uThe Main Rheological Behavior of Polymer 学习交流报告 汇报人：杨成玉 12 The Basis of Viscoelastic Materials u牛顿粘性 粘度为一常数的流体称为牛顿流体，应力正比于应变，应变随时间成线 性发展 流体在流动时，存在着流体与固体表面的附着力和流体内部分子间的作 用，流体不断发生剪切变形，流体的粘滞性就是流体抵抗剪切变形的能 力，简称流体的粘性 粘度是流体粘滞性的度量，用以描述流动时的内摩擦大小，也就是说流 体内部分子间作用力越大，流体的粘滞性越大，流动时内摩擦越大，流 体粘度也就越大 学习交流报告 汇报人：杨成玉 13 The Basis of Viscoelastic Materials u胡克弹性 1678年，胡克假定“任何一根弹簧的力与由此产生的伸长成正比”即胡 克弹性定律 胡克定律表示材料在受力时应力与应变之间存在线性关系，线性弹性也 称胡克弹性 在物体上施加外力，产生瞬时变形，除去外力，变形立即消失，这种与 时间无关的变形称为弹性变形，物体具有弹性变形的性质称物体的弹性 ，也就是狭义的弹性叫胡克弹性或线性弹性 学习交流报告 汇报人：杨成玉 14 The Basis of Viscoelastic Materials u粘性和弹性的转化 传统观念中，固体毫无疑问是弹性的，流体是粘性的，然而他们却是材 料属性不可分割的两部分，相互依存，相互转化 粘弹体在外力作用下哪一种性质占优势，依赖于应力和施加应力的持久 性，在一个实验中，假若实验相对缓慢，样品似乎呈现粘性而不是弹性 ，但是假若实验相对较快，似乎呈现弹性而不是粘性，在中等时间标度 ，观察到混合（粘弹性）响应 流变学的产生，采用流变性仪器就可以在施加非常宽的应力范围，非常 宽的频率谱内研究固体的粘性和流体的弹性 学习交流报告 汇报人：杨成玉 15 汇报提纲 uIntroduction to Rheology uCotent of Polymer Rheology uMethod of Polymer Rheology uThe Basis of Viscoelastic Materials uStates of Matter uThe Main Rheological Behavior of Polymer 学习交流报告 汇报人：杨成玉 16 States of Matter uSmall molecules and Polymer Much more complex behaviorSmall molecules Polymer Gas-Water-Ice 学习交流报告 汇报人：杨成玉 17 汇报提纲 uIntroduction to Rheology uCotent of Polymer Rheology uMethod of Polymer Rheology uThe Basis of Viscoelastic Materials uStates of Matter uThe Main Rheological Behavior of Polymer 学习交流报告 汇报人：杨成玉 18 The Main Rheological Behavior of Polymer u聚合物熔体粘度的剪切速率依赖性 牛顿流体的粘度在一定温度下是常数，与剪切速率无关 假塑性曲线显示出第一牛顿区（布朗运动）、剪切稀化区（剪切作用大于布朗运 动作用）、第二牛顿区（分子链的缠绕已经完全解体） 剪切稀化现象是由于流体中粒子发生定向、伸展、变形或分散 图中塑性曲线显示出一个屈服应力，当应力小于屈服应力时，流体不流动，只发 生切应变， =0 学习交流报告 汇报人：杨成玉 19 The Main Rheological Behavior of Polymer u聚合物溶液的主要弹性表现 Rod Climb-up (Weissenberg Effect) Die Swell (Banus Effect) （挤出胀大） 牛顿流体非牛顿流体 学习交流报告 汇报人：杨成玉 20 The Main Rheological Behavior of Polymer u聚合物溶液的主要弹性表现 Hole Pressure Error（孔压误差） v粘弹性流体沿凹坑处流动时流线的弯曲 引起了弹力张力，这种张力的合力使凹 坑底部的压力减小，而粘性流体则不会 由于流线的弯曲而产生张力 Tubeless Siphon（无管虹吸） 学习交流报告 汇报人：杨成玉 21 The Main Rheological Behavior of Polymer u聚合物溶液的宏观流变性 静态流变（Static Rheology） v在一定应力或应变下对流体实施稳态剪切（Steady Shear）作用，由此研究 流体在连续形变下粘度、应力等与应变速率之间关系的方法 v特点：在一定剪切作用下，聚合物流体在固定的方向上产生形变；主要见 于毛细管中流体的流动，或单向旋转剪切时流体的流动 v从测试角度可实现 剪切速率扫描 固定剪切速