毛细管流变仪原理介绍-全ppt课件

1、聚合物流变学1;.主要内容根本概念流变学定义Definition of rheology剪切流动Shear拉伸流动Extensional2流变学-Rheology流变学是研讨资料流动与变形的学科Rheology: rheo (to flow) + logos (science)34领域聚合物聚合物 我们需求了解熔体流动性能，从而设计模具等我们需求了解熔体流动性能，从而设计模具等食品食品 良好的外观、质地和加工特性良好的外观、质地和加工特性涂料涂料 储存寿命和外表流平性能储存寿命和外表流平性能墨水墨水 打印明晰度和准确计量打印明晰度和准确计量医药医药 正确的配方定量，沉降性能等正确的配方定量，沉

2、降性能等还有：泥浆、钻井液、沥青、橡胶等还有：泥浆、钻井液、沥青、橡胶等5聚合物加工实例6流变学研讨对象：流变学研讨对象：包括非牛顿流体、粘弹性固体和流体与固体之间的物质如悬浮体。包括非牛顿流体、粘弹性固体和流体与固体之间的物质如悬浮体。对于高分子来说，绝大多数的成型加工都是熔融形状下进展的，特别是热塑性塑料加工。对于高分子来说，绝大多数的成型加工都是熔融形状下进展的，特别是热塑性塑料加工。因此，高聚物在粘流温度下的流动性和弹性，是其成型加工的首要性能。因此，高聚物在粘流温度下的流动性和弹性，是其成型加工的首要性能。非牛顿流体定义：凡不服从牛顿粘性定律的流体称为非牛顿流体。非牛顿流体定义：凡不

3、服从牛顿粘性定律的流体称为非牛顿流体。即：在一定温度下，流体剪切应力与剪切速率不成正比的线性关系，其粘度不是常数，而即：在一定温度下，流体剪切应力与剪切速率不成正比的线性关系，其粘度不是常数，而是随剪切应力或剪切速率而变化的非牛顿粘度是随剪切应力或剪切速率而变化的非牛顿粘度。7剪切形变-流变学根本定义剪切应力Shear stress, 单位面积所受的剪切力剪切应变Shear strain, 剪切形变除以高度剪切应变速率Shear rate, 剪切应变的快慢剪切粘度Shear viscosity, 剪切应力除以剪切速率.8解释 :应力：单位面积上的力 (多少)应变：相对样品尺寸上的变形幅度 (多

4、大)剪切速率：随时间应变的变化率 (多快)剪切粘度：在一定的条件下熔体能否容易流动 9根本概念-剪切adbA假设一个立方体的长宽高分别为a，b，d。面积A = ab 高 = d10根本概念-剪切应力Shear stress单位面积所受的剪切力The applied force per unit area1 N/m2 = 1 Pa)(m (N) 2AF剪切应力Pa11根本概念-剪切应变Shear strain剪切应变 Shear strain被简称为应变Strain，剪切时物体所产生的相对形变量 无量纲，经常用%表示剪切应变无量纲(m) (m) du12根本概念-剪切速率Shear rate剪切

5、应变速率Shear strain rate或者剪切速率Shear rate ，表示剪切应变快慢单位 s-1剪切速率S-1(s)t13剪切粘度(Shear viscosity)粘度就是流动的阻力粘度越大，越难流动蜂蜜，酸奶等粘度越小，越容易流动水等剪切粘度 = 剪切应力施加外力剪切速率运动速度Pa.s单位UnitPascal second Pa.s (SI)Poise P (CGS)1 Pa.s = 10 P, 1 mPa.s = 1 cP1415粘度大流动性差：这是由于高分子链的流动是经过链段的相继位移来实现分子链的整粘度大流动性差：这是由于高分子链的流动是经过链段的相继位移来实现分子链的整体

6、迁移，类似蚯蚓的蠕动。体迁移，类似蚯蚓的蠕动。不符合流动规律：在流动的过程中粘度随剪切速率的添加而下降。不符合流动规律：在流动的过程中粘度随剪切速率的添加而下降。熔体流动时伴随高弹形变：由于在外力作用下，高分子链沿着外力作用发生伸展，当熔体流动时伴随高弹形变：由于在外力作用下，高分子链沿着外力作用发生伸展，当外力消逝后，分子链又由伸展变为卷曲，使形变部分恢复，表现出弹性行为。外力消逝后，分子链又由伸展变为卷曲，使形变部分恢复，表现出弹性行为。16高聚物流体高聚物流体弹性：分子链构象不断变化弹性：分子链构象不断变化分子链构象的变化分子链构象的变化粘性：流动中分子链相对运动粘性：流动中分子链相对运

7、动17以粘度的倒数表示流动性。按作用方式的不同以粘度的倒数表示流动性。按作用方式的不同,流动可分为剪切流动和拉伸流动流动可分为剪切流动和拉伸流动,相应地有相应地有剪切粘度和拉伸粘度。前者为切应力与切变速率之比；后者为拉伸应力与拉伸应变速度剪切粘度和拉伸粘度。前者为切应力与切变速率之比；后者为拉伸应力与拉伸应变速度之比。聚合物的构造不同，流动性或粘度就不同。对于聚合物熔体，大多数是属于之比。聚合物的构造不同，流动性或粘度就不同。对于聚合物熔体，大多数是属于假塑性液体假塑性液体,其剪切粘度随剪切应力的添加而降低其剪切粘度随剪切应力的添加而降低,同时测试条件温度、压力、分子参同时测试条件温度、压力、

8、分子参数分子量及其分布、支化度等和添加剂数分子量及其分布、支化度等和添加剂(填料、增塑剂、光滑剂等填料、增塑剂、光滑剂等)等要素对剪切粘等要素对剪切粘度度-剪切应力曲线的挪动方向均有影响。对于拉伸粘度，当应变速率很低时，单向拉伸的剪切应力曲线的挪动方向均有影响。对于拉伸粘度，当应变速率很低时，单向拉伸的拉伸粘度约为剪切粘度的拉伸粘度约为剪切粘度的3倍，而双向相等的拉伸，其拉伸粘度约为剪切粘度的倍，而双向相等的拉伸，其拉伸粘度约为剪切粘度的6倍。拉倍。拉伸粘度随拉伸应力增大而增大伸粘度随拉伸应力增大而增大,即使在某些情况下有所下降，其下降的幅度远较剪切粘度即使在某些情况下有所下降，其下降的幅度远

9、较剪切粘度的小。因此，在大的应力作用下，拉伸粘度往往要比剪切粘度大一二个数量级，这可使的小。因此，在大的应力作用下，拉伸粘度往往要比剪切粘度大一二个数量级，这可使化学纤维纺丝过程更为容易和稳定。化学纤维纺丝过程更为容易和稳定。18粘度的影响要素资料的内部构造资料配方、颗粒大小、颗粒分布、分子量等温度普通来说，温度越高，粘度越低剪切速率或者拉伸速率时间 触变性压力 ),(tPTC19典型的流动曲线Flow behaviorShear RateStressShear Rate牛顿流体牛顿流体假塑性流体假塑性流体胀塑性流体胀塑性流体StressShear RateStressShear RateVi

10、scosityViscosityShear RateViscosityShear Ratee.g. 聚合物熔体e.g. PVC糊等剪切变稀剪切变稀剪切增稠剪切增稠20流动曲线 Viscosity Flow Curves施加不同的剪切速率，剪切速率和剪切粘度关系图为Log .大部分样品，特别是聚合物具有这种特性实践上，对于聚合物，经常丈量的范围是剪切变稀区域Log 零剪切平台剪切变稀 / 指数定律区域第二牛顿平台21Log Log 分子分子缠结缠结 缠结速度缠结速度=解缠结速度解缠结速度缠结速度缠结速度解缠接速度解缠接速度分子链遭到破坏，无缠结分子链遭到破坏，无缠结缠结速度缠结速度=解缠结速度解

11、缠结速度22流动类型分类流动类型分类23拉伸流动测试24 速度梯度方向平行于流动方向速度梯度方向平行于流动方向, ,例例: :吹塑成型中分开模口后的流动吹塑成型中分开模口后的流动, ,纺丝中分开纺丝中分开喷丝口后的牵伸喷丝口后的牵伸. .流动方向流动方向速度梯度的方向速度梯度的方向 拉伸粘度拉伸粘度t t: :25根本概念-拉伸法向力 (Normal Force)拉伸应力拉伸应变拉伸速率)(m (N) 2AF (m) (m)ud( )t sPa无量纲1/s26 a t tBACB: t 与与 无关无关:聚合度低的线性高物聚合度低的线性高物:POM、PA-66A： t 随随 而而,支化聚合物。如

12、支化支化聚合物。如支化PEC： t 随随 而而,高聚合度高聚合度PP拉伸粘度与拉伸应力的关系拉伸粘度与拉伸应力的关系: :高拉伸应变速率高拉伸应变速率在低拉伸应变速率下，熔体服从特鲁顿关系式在低拉伸应变速率下，熔体服从特鲁顿关系式 拉伸粘度拉伸粘度t t曲线曲线E 3 27从构造变化分析从构造变化分析: :拉伸流动中会发生链缠结拉伸流动中会发生链缠结, ,使拉伸粘度降低使拉伸粘度降低, ,但同时链发生伸展并沿流动但同时链发生伸展并沿流动方向取向方向取向, ,分子间相互作用添加分子间相互作用添加, ,流动阻力添加流动阻力添加, ,伸展粘度变大伸展粘度变大. .拉伸粘度取决于这两个要拉伸粘度取决于

13、这两个要素哪一个占优势素哪一个占优势. .拉伸粘度与拉伸应变速率的关系拉伸粘度与拉伸应变速率的关系28Log eLog e平台粘度变小应变硬化29原始曲线3031由于聚合物流体流动时，伴随有高弹形变的产生和储存，故外力除去后会发生回缩等景象,例如:塑料、橡胶挤出后和纤维纺丝后会发生断面尺寸增大而长度缩短的离模膨胀景象，或称弹性记忆效应；搅动时流领会沿杆上升，这种爬杆景象称韦森堡效应或法向应力效应。此外，聚合物加工时，半废品或废品外表不光滑，出现“橘子皮和“鲨鱼皮，出现波浪、竹节、直径有规律的脉动、螺旋形畸变甚至支离破碎等影响制质量量的熔体破裂和不稳定流动等景象，这些景象主要与熔体弹性有关。32

14、高分子熔体流动中的弹性效应高分子熔体流动中的弹性效应 实验发现，几种粘度相近、分子量分布大致一样的聚乙烯熔体，其加工行为却有很大差别，实验发现，几种粘度相近、分子量分布大致一样的聚乙烯熔体，其加工行为却有很大差别，分析得知，这些差别主要由于不同熔体的弹性行为拉伸粘度和法向应力差不同引起的。分析得知，这些差别主要由于不同熔体的弹性行为拉伸粘度和法向应力差不同引起的。高分子液体流动时，表现出形形色色的奇特弹性行为。高分子液体流动时，表现出形形色色的奇特弹性行为。主要有挤出过程中的挤出胀大景象，不稳定流动和熔体破裂主要有挤出过程中的挤出胀大景象，不稳定流动和熔体破裂景象，景象，“爬杆景象爬杆景象We

15、issenbergWeissenberg效应，拉伸流动等。效应，拉伸流动等。高分子液体的弹性属于熵弹性。在流动过程中，资料的粘性高分子液体的弹性属于熵弹性。在流动过程中，资料的粘性行为和弹性行为交错在一同，使流变性非常复杂。研讨高分行为和弹性行为交错在一同，使流变性非常复杂。研讨高分子液体的弹性规律性对高分子资料加工也非常重要。子液体的弹性规律性对高分子资料加工也非常重要。33离模膨胀应力松弛入口效应熔体破裂34离模膨胀应力松弛入口效应熔体破裂35挤出胀大景象挤出胀大景象 挤出胀大景象及其阐明挤出胀大景象及其阐明 挤出胀大景象又称口型膨胀效应或挤出胀大景象又称口型膨胀效应或Barus效应，是指

16、高分子熔体被强迫挤出口模时，效应，是指高分子熔体被强迫挤出口模时，挤出物尺寸大于口模尺寸，截面外形也发生变化的景象。对圆型口模，挤出胀大比挤出物尺寸大于口模尺寸，截面外形也发生变化的景象。对圆型口模，挤出胀大比B定义为：定义为： DdBi/id式中式中D D 为口模直径，为口模直径， 为完全松弛的挤出物直径。为完全松弛的挤出物直径。36挤出胀大371 1挤出胀大景象是高分子液体具有弹性的典型表现。从弹性形变角度看，熔体在进入挤出胀大景象是高分子液体具有弹性的典型表现。从弹性形变角度看，熔体在进入口模前的入口区遭到剧烈拉伸作用，发生弹性形变。这种形变虽然在口模内部流动时得到口模前的入口区遭到剧烈

17、拉伸作用，发生弹性形变。这种形变虽然在口模内部流动时得到部分松弛，但由于高分子资料的松弛时间普通较长，直到口模出口处仍有部分保管，于是部分松弛，但由于高分子资料的松弛时间普通较长，直到口模出口处仍有部分保管，于是在挤出口模失去约束后，发生弹性恢复，使挤出物胀大。在挤出口模失去约束后，发生弹性恢复，使挤出物胀大。 2 2从熵弹性角度思索，无规线团状的大分子链在口模入口区被剧烈拉伸，构象发生改从熵弹性角度思索，无规线团状的大分子链在口模入口区被剧烈拉伸，构象发生改动，构象熵减少。同样这种构象变化在口模内部部分得到松弛，但仍有部分直到挤出口动，构象熵减少。同样这种构象变化在口模内部部分得到松弛，但仍

18、有部分直到挤出口模后才回复。挤出后的分子链回复到新的无规线团构象，使熵值升高而胀大。模后才回复。挤出后的分子链回复到新的无规线团构象，使熵值升高而胀大。 3 3实验阐明，一切影响高分子熔体弹性的要素都对挤出胀大行为有影响。如挤出温度实验阐明，一切影响高分子熔体弹性的要素都对挤出胀大行为有影响。如挤出温度升高，或挤出速度下降，或体系中参与填料而导致高分子熔体弹性形变减少时，挤出胀升高，或挤出速度下降，或体系中参与填料而导致高分子熔体弹性形变减少时，挤出胀大景象明显减轻。大景象明显减轻。 挤出胀大景象挤出胀大景象 38 弹性液体那么不然，弹性液体流动时，除有剪切应力外，作用在三个正交面元上的法弹性

19、液体那么不然，弹性液体流动时，除有剪切应力外，作用在三个正交面元上的法向应力也不相等，使液体既发生粘性形变表现为有粘度，耗费能量，又发生弹性形变向应力也不相等，使液体既发生粘性形变表现为有粘度，耗费能量，又发生弹性形变表现为有法向应力差，储存能量。表现为有法向应力差，储存能量。 定义法向应力差函数定义法向应力差函数 ， ，用以描画液体的弹性。高分子，用以描画液体的弹性。高分子液体发生液体发生“爬杆景象，正是由于法向应力差效应引起的。爬杆景象，正是由于法向应力差效应引起的。 法向应力差效应是弹性液体特有的效应。法向应力差效应是弹性液体特有的效应。 纯粘性液体流动时，内部流体元上所受的应力主要在外

20、外表的切线方向，称剪切纯粘性液体流动时，内部流体元上所受的应力主要在外外表的切线方向，称剪切应力，是一种摩擦力，它引起流体元剪切变形。面元的法线方向虽然也有应力称应力，是一种摩擦力，它引起流体元剪切变形。面元的法线方向虽然也有应力称法向应力，主要为压力和拉力，但由于液体没有弹性，不可紧缩，因此三个正交法向应力，主要为压力和拉力，但由于液体没有弹性，不可紧缩，因此三个正交面元上的法向应力相等。面元上的法向应力相等。 法向应力差效应法向应力差效应3322112211332239离模膨胀应力松弛入口效应熔体破裂40应力松弛所谓应力松弛，就是在固定的温度和形变下，聚合物内部的应力随时间添加而逐渐衰减的

21、景象。即资料在恒定应变下，应力随着时间的变化而减小至某个有限值，这一过程称为应力松弛。这是资料的构造重新调整的另一种景象。这种景象也在日常生活中能察看到，例如橡胶松紧带开场运用时觉得比较紧，用过一段时间后越来越松。也就是说，实现同样的形变量，所需的力越来越少。未交联的橡胶应力松弛较快，而且应力能完全松弛到零，但交联的橡胶，不能完全松弛到零。41应力松弛Stress relaxation施加恒定应变形变察看应力随时间的变化Time (s)0.0010.010.1110100Strain %瞬间阶跃应变 恒定应变101.00.10.010.00142Time (s)0.0010.010.11101

22、00Stress Pa 施加应变施加应变 坚持恒定应变坚持恒定应变101.00.10.01粘性资料应力衰减 瞬间弹性资料 应力恒定粘弹性呼应Viscous & Elastic Reponse43应力松弛的分子机理线形聚合物的应力松弛的分子机理如下图，拉伸时张力迅速作用使缠绕的分子链伸长，但这种伸直的构象时不平衡的，由于热运动分子链会重新卷曲，但形变量被固定不变，于是链能够解缠结而转入新的无规卷曲的平衡态，于是应力松弛为零。交联聚合物不能解缠结，因此应力不能松弛到零。144松弛实验松弛实验松弛时间松弛时间：资料开场松弛到剪切应力下降至初始值：资料开场松弛到剪切应力下降至初始值/e所需时间

23、所需时间评定时间评定时间T：资料开场松弛到丈量值与计算值相差超越：资料开场松弛到丈量值与计算值相差超越10所需时间所需时间45运用应力松弛同样也有重要的实践意义。成型过程中总离不开应力，在固化成制品的过程中应力松弛同样也有重要的实践意义。成型过程中总离不开应力，在固化成制品的过程中应力来不及完全松弛，或多或少会被冻结在制品内。这种残存的内应力在制品的存放和应力来不及完全松弛，或多或少会被冻结在制品内。这种残存的内应力在制品的存放和运用过程中会渐渐发生松弛，从而引起制品翘曲、变形甚至应力开裂。消除的方法时退运用过程中会渐渐发生松弛，从而引起制品翘曲、变形甚至应力开裂。消除的方法时退火或溶胀如纤维

24、热定形时吹入水蒸汽以加速应力松弛过程。火或溶胀如纤维热定形时吹入水蒸汽以加速应力松弛过程。46离模膨胀应力松弛入口效应熔体破裂474849P = pen + pvis + pex505105101520253035-5Capillary L/D020406080100Pressure Drop (bar)Correction Pressure Pc bar is determined at zero die lengthThe extra die length c is determined at P=0 bar选择三根长径比不同的毛细管，在同一体积流量下，丈量压差P与长径比L/D的关系并作图

25、，将直线延伸与P轴相交，其纵向截距等于入口压力降Pent；继续延伸与L/D轴相交，其横向截距等于LB/D=e0/2。52Linear fit :Polynominal fit :53离模膨胀应力松弛入口效应熔体破裂54不稳定流动和熔体破裂景象不稳定流动和熔体破裂景象 不稳定流动的挤出物外观表示图不稳定流动的挤出物外观表示图 实验阐明，高分子熔体从口模挤出时，当挤出速率或剪切应力超越某一临界剪切实验阐明，高分子熔体从口模挤出时，当挤出速率或剪切应力超越某一临界剪切速率速率 或临界剪切应力或临界剪切应力 ，容易出现弹性湍流，导致流动不稳定，挤出物外表粗，容易出现弹性湍流，导致流动不稳定，挤出物外表

26、粗糙。糙。 随挤出速率的增大，能够先后出现波浪形、鲨鱼皮形、竹节形、螺旋形畸变，最后导随挤出速率的增大，能够先后出现波浪形、鲨鱼皮形、竹节形、螺旋形畸变，最后导致完全无规那么的熔体破裂致完全无规那么的熔体破裂 cc553从形变能的观念看，高分子熔体的弹性贮能身手是有限的。当外力作用速率很大，从形变能的观念看，高分子熔体的弹性贮能身手是有限的。当外力作用速率很大，外界赋予熔体的形变能远远超出熔体可接受的极限时，多余的能量将以其它方式表现出外界赋予熔体的形变能远远超出熔体可接受的极限时，多余的能量将以其它方式表现出来，其中产生新外表、耗费外表能是一种方式，即发生熔体破裂。来，其中产生新外表、耗费外

27、表能是一种方式，即发生熔体破裂。 1虽然关于发生不稳定流动的机理目前尚无一致认识，但各种假定都以为，这虽然关于发生不稳定流动的机理目前尚无一致认识，但各种假定都以为，这也是高分子熔体弹性行为的表现。也是高分子熔体弹性行为的表现。2就熔体破裂景象而言，一定地说，它与熔体的非线性粘弹性、与分子链在剪切流场就熔体破裂景象而言，一定地说，它与熔体的非线性粘弹性、与分子链在剪切流场中的取向和解取向构象变化及分子链松弛的滞后性、缠结和解缠结及外部工艺条件诸中的取向和解取向构象变化及分子链松弛的滞后性、缠结和解缠结及外部工艺条件诸要素有关。要素有关。不稳定流动和熔体破裂景象不稳定流动和熔体破裂景象 56如何检测熔体的不稳定流动？压力损耗压力损耗光滑外表光滑外表Shark skinSlip-stick