《化工流变绪论》PPT课件

化工流变学,包永忠浙江大学化学工程联合国家重点实验室E-mail:yongzhongbaoTel:87951334ChemicalRheology,内容1绪论2流变学的数学基础3应力、应变及应变速率4流变学基本方程5流变测量基本原理6分散液的流变特性7聚合物黏弹性8黏弹性流体流变行为的表征和测定,1.R.B.Birdetal.DynamicofPolymerLiquids,JohnWiely,1977,Vol.II(Chap.9)2.JohnJ.K.IntroductionofPolymerViscoelasticity,WilliamJ.M.,1983,JohnWiely&Sons3.金日光.高聚物流变学及其在加工中的应用，化学工业出版社，19864.尼尔生.聚合物流变学，中译本5.王凯.非牛顿流体的流动、混合和传热，浙江大学出版社，19886.王甲升.张量分析及其应用，高等教育出版社，19857.顾国芳.聚合物流变学基础，同济大学出版社，2000,主要参考书,1绪论,1.1流变学(Rheology)研究材料流动和变形的科学其目的并不单纯看重力学行为，而看重不同物质的力学特性与结构之间的关系。,流变学的历史：古代计时用沙漏、水钟“万物皆流”(古希腊哲学家赫拉克里)16世纪伽里略提出液体具有内聚黏性概念17世纪胡克提出弹性固体的应力与应变的关系牛顿阐明液体阻力和剪切速率之间的关系18世纪泊肃叶方程,流变学作为独立学科的创立(1928)：美国物理化学家宾汉巴勒斯坦土木工程师雷纳,流动,变形,流变学,液体,固体,软物质,不可回复形变,可回复形变,耗散能量黏弹性储存能量,有记忆效应,无记忆效应,松弛过程,瞬间过程,流变学的一个重要参数：时间标尺,流变学发展,受到力学、物理学和材料学等学科发展影响工业发展的迫切需要科学理论和计算水平的提高流变测试仪器的普及和发展,流变学基础：流场(简单剪切、小振幅振荡和拉伸流场)本构方程流变测量技术,1.2流体的分类(按力学性质),流体,完全流体,黏性流体,牛顿流体,非牛顿流体,纯黏性流体,依时性流体,黏弹性流体,塑性流体,假塑性流体,胀塑性流体,触变流体,震凝流体,1.2.1完全流体(perfectfluid)非压缩性，无黏性的理想流体,很小的外力能引起很大的流动,如液态氦(近似于完全流体),1.2.2牛顿流体：服从牛顿黏度定律,:流体黏度,剪切应力,剪切应变,切变速率,1Pas=10poise(泊)=1000厘泊,牛顿流动定律,液体内部反抗流动的内摩擦力,1.2.3非牛顿流体不服从牛顿黏度定律的所有流体纯黏性流体(狭义非牛顿流体)不含弹性、流动特性与过去所受的应力无关，即不存在时间依赖性的流体,w,uz(r),r,z,圆管中的剪切流动,(a)塑性流体(宾汉流体),Ky屈服应力,pl塑性黏度,(非沉降性浆料、涂料、黏土分散液、泥浆等),(b)假塑性流体,n-流变常数n=1牛顿流体，n1假塑性，n1胀塑性,.,幂律流体,m流动行为指数，幂律指数Kpsu稠度系数,剪切应力增加表观黏度降低CMC、纸浆(40%)、淀粉糊、PVA等属于假塑性流体,胀塑性流体剪切应力增加表观黏度增大高浓度的固体粒子悬浮液、水中的流沙、湿的粉体、油墨等,液体流动的类型,Shearrate,Shearstress,Shearrate,Shearstress,Shearrate,Shearstress,Shearrate,Shearstress,Time,Viscosity,触变性,震凝性,依时性非牛顿流体,=f(t),=f(t),触变流体时间增加内部结构被破坏，减小原因：分子缠结等,触变流体的滞后现象,回转黏度计中扭矩与时间的关系,(b)震凝流体,时间增加结构形成增加,如石膏糊(42%)，搅拌(40min)固体,黏弹性流体既有黏性又有弹性的流体,黏性-流体内部阻碍其产生相对运动的性质理想黏性体：当材料受到外力作用后，形变是随时间线性发展的，不能瞬间发展，形变不可逆。弹性-物体在除去使其产生形变的外力后即能恢复原状的性质理想弹性体：当材料受到外力作用后，平衡形变可以瞬间发生和完成，与时间无关，形变可逆。,a应力时间；b.理想弹性体，d.理想黏性体；e.黏弹体的应变时间关系,理想黏性体、理想弹性体和黏弹体的应变-时间关系,如何表征形形色色非牛顿流体流变行为？一、把实验观察到的流变行为概括成一些物质函数，它们可以由仪器测量；二、建立可以预示尚未观察到的流体行为的方程式。(1)连续介质力学理论，将物质看作是连续介质，描述介质对应力或应变(速率)的响应；(2)分子运动理论，从分子结构观点描述介质的行为，又称为结构流变学。,1.3描述非牛顿流体流变特性的物质函数,表征非牛顿流体流变特征的物质函数因场合不同而不同，对流变学来说，它面对的典型流场有三种：a.简单剪切流场平形板流动、管流、同轴圆筒间的Couette流动、锥板间的剪切流。b.小振幅振荡流场c.拉伸流场,稳态简单剪切流动的三个物质函数,三个物质函数：剪切黏度函数第一法向应力系数第二法向应力系数,拉伸黏度,拉伸流动对高聚物的成型加工具有重要意义流道收敛、合成纤维生产、中空吹塑、薄膜生产等,单轴拉伸双轴拉伸,稳态拉伸流动无剪切流场,(1)单轴拉伸流动,将拉伸F作用在截面积为A的试样上，试样长度由原长L0拉伸至L,拉伸应变：,单轴拉伸应变速率：,单轴拉伸黏度：,.,.,.,对于牛顿流体：,(2)等轴双轴拉伸,在两个方向拉力下，两个轴向同时被拉长，因而另一轴向缩短变薄,等幅双轴拉伸黏度：,.,.,.,.,.,.,.,对于牛顿流体：,等幅双轴拉伸应变速率,1.4流变学在化工、聚合物工业中的重要性,传统化工形成于20世纪20至30年代，主要针对小分子物质，其基础如热力学、传递等，均以小分子物质和牛顿黏性定律为依据。二次世界大战以后，高分子材料工业崛起，改变了化学工程面对的对象，传统的“三传一反”理论需要拓展。现代化学工业是一门以数学、物理和物理化学等基础学科为基石，与多门学科互为交叉的工程学科。流变学是现代化学工程的三大基础之一。热力学、传递过程、流变学,流变学在聚合物