聚合物的流变性质课件

1、聚合物成型原理与工艺 各章内容,第二章 聚合物的流变性质 第三章 聚合物流体在管和槽中的流动 第四章 聚合物加工过程中的结构变化 第五章 成型物料的配置 第六章 挤出成型 第七章 注塑成型 第八章 其它成型方法,1,PPT学习交流,第二章 聚合物的流变性质,2.1 剪切流动（牛顿流体和非牛顿流体） 2.2 拉伸流动与拉伸粘度 2.3 高分子熔体的粘性流动与弹性 2.4 热塑性和热固性聚合物流体的比较 2.5 影响聚合物流变行为的主要因素 2.5.1 温度的影响 2.5.2 压力的影响 2.5.3 粘度对剪切速率和剪切应力的依赖性 2.5.4 聚合物结构因素和组成对粘度的影响,Back,2,PP

2、T学习交流,思考题,1 流变学 牛顿流体 非牛顿流体 宾汉流体 假塑性流体 膨胀型流体 表观粘度 触变性流体 震凝性流体： 2 影响高分子熔体粘度的主要因素有哪些？ 在有时间依赖系统中，非牛顿液体可分为那两类? 在与时间无关的粘性系统中,非牛顿液体可分为哪几类?其特性和原因分别是什么? 剪切流动与拉伸流动的区别。 6 描述假塑性流体的公式中，K、k、m、n的意义及关系 7在宽广的剪切速率范围内，聚合物熔体的粘度与剪切速率之间的关系会出现怎样的变化。 8温度、压力和时间如何影响聚合物熔体的流动性。 9 热固性和热塑性塑料二者在本质上有何区别？ 10试述热塑性塑料的状态与加工的关系。 11简述热塑

3、性塑料和热固性塑料的主要成型方法,3,PPT学习交流,流变学(Rheology):研究物质流动与变形的科学. 高分子流体在外力作用下会发生流动与变形，既表现出粘性，又表现出 弹性和塑性。 聚合物流变学主要研究的对象是在应力作用下，聚合物材料产生弹性、塑性和粘性变形的行为，以及这些行为与各种因素的关系。,各种因素包括： 聚合物的结构与性质、温度、外力的大小和作用方式、作用时间以及聚合物体系的组成。,第二章 聚合物的流变性质,把高分子熔体和高分子浓溶液一并作为流体讨论，研究它们 的流动规律,Back,4,PPT学习交流,2.1 剪切流动：牛顿流体和非牛顿流体,液体的流动与变形都是在应力作用下实现的

4、，重要的应力包括： 剪切应力、拉伸应力和压缩应力。 剪切应力对聚合物的成型最为重要，它制约聚合物熔体在设备中的流动和制品的质量等。 其次为拉伸应力，常与剪切应力同时出现。 压缩应力一般不重要，可忽略不计。,5,PPT学习交流,雷诺数(Renolds number)(Re),流体在平直管道中受剪切应力而发生流动有两种基本方式：层流和湍流。 层流：液体主体的流动是按许多彼此平行的流程进行的，同一层之间的各点速度相同，各层之间的各点速度不同，各层之间无可见扰动。当流动速度增大且超过临界值时，即转变为湍流。 湍流：湍流各点速度的大小和方向都随时间而变化，此时流体内出现扰动。,6,PPT学习交流,层流和

5、湍流的区分以雷诺数为判定依据。,Re：雷诺数 D： 流道直径(m) ： 流体平均流速(m/s) : 流体密度(kg/m3 ) : 流体的粘度(Pa.s),判据：一般认为， Re小于2100-2300时为层流流动； Re在2300-4000时为过渡流； Re大于4000时为湍流流动； 聚合物通常在加工过程中的流动为层流，Re小于10； 聚合物分散体的雷诺数较大，但不会大于2300，也为层流,7,PPT学习交流,牛顿流体规律是描述流体层流最简单的规律。 该定律为：当剪切应力(单位N m-2或Pa)表示于定温下施加两个距离相距dr的流体平行层面时，流体以相对速度dv运动，则剪切应力与剪切速率dr/

6、dv(s-1)之间呈直线关系。,牛顿流体,图2-1 剪切流动示意图 F=剪切力； =F/A=剪切应力,切变粘度系数或牛顿粘度 简称为粘度,剪切速率(S-1),剪切应力,8,PPT学习交流,9,PPT学习交流,粘度是流体的基本特征，依赖于流体的分子结构和外界条件。,牛顿粘度与时间无关，也与剪切应力与剪切速率无关,10,PPT学习交流,事实上，真正属于牛顿流体的只是低分子化合物的液体或溶液。 聚合物熔体除了聚碳酸酯、偏二氯乙烯-氯乙烯共聚物等少数几种与牛顿流体相似外，绝大多数只能在剪切应力很小或很大时表现为牛顿流体。 而在聚合物加工成型过程中，聚合物流体并不与牛顿流体行为相符合，聚合物分散体在成型

7、过程中的流动行为也不是牛顿流体。,11,PPT学习交流,凡流体的流动行为不符合牛顿流体的流动行为的流体均称为非牛顿流体，即粘度随剪切应力(或剪切速率)变化而变化的流体，甚至还随时间的变化。 非牛顿流体的剪切应力与剪切速率的比值称为表观粘度，用a表示。,非牛顿流体,12,PPT学习交流,非牛顿流体根据其流变特征分为三类：粘性流体；粘弹性流体；时间依赖性流体。,几种简单的非牛顿流体曲线见图4。,13,PPT学习交流,粘性流体是聚合物成型加工中最重要的一类流体，该类流体的特征是剪切速率只依赖于所施剪切应力的大小，而与剪切应力施加的时间长短无关。,表 1 三类非牛顿流体的特征,1 粘性流体,根据剪切应

8、力与剪切速率的关系，粘性流体可分为宾汉流体(Bingham)、假塑性流体和膨胀性流体,14,PPT学习交流,这种流体与牛顿流体相比，相同之处为剪切速率与剪切应力都呈线性关系，不同之处为只有剪切应力高到一定程度y值时，流体才开始流动。 y为屈服应力。,宾汉流体,当应力小于y(屈服应力)时，材料完全不流动，实际上是固体,宾汉流动方程为：,式中：,流体粘度或为刚度系数，等于曲线的斜率。,，,宾汉流体的这种流变形为，是在静止时，内部具有凝胶结构，当外加应力大于y时，这种结构才开始崩溃，并开始流动。 如：牙膏、润滑酯、油漆、钻井用的泥浆、聚合物在良溶剂中的浓溶液和凝胶性糊塑料等属于或接近于宾汉流体。,1

9、5,PPT学习交流,这种流体是非牛顿流体最普通的一种，流动曲线是非线性的，但并不存在屈服应力。见图4。流体的表观粘度随剪切应力(或剪切速率)的增加而降低。 绝大多数聚合物熔体和聚合物溶液的流动行为多具有假塑性流体的特征。造成粘度下降的原因可用缠结理论解释，在应力作用下，缠结点被打开，所受用力越大，缠结点打开的越多，同时被打开的缠结点的大分子沿流动方向排列成线状，内摩擦力减小，宏观上表现为粘度下降。 在塑料挤出、注塑工艺中，在不增加温度的情况下，适当提高螺杆转数，可降低高分子熔体的剪切粘度，从而提高熔体的流动性。,假塑性流体,16,PPT学习交流,式中的K与n均为常数， n为流动指数，n1。 k

10、 表示流体的流动度或流动常数， k值越小，流体的粘度越大。,假塑性流体的流变方程为指数定律，即剪切应力与剪切速率的指数关系可有另外一种表达式来表示。,根据表观粘度的定义：,则有：,m,k t,g,=,用粘度比来评价粘度对剪切速率的敏感性。柔性大，易取向，粘度下降多，刚性分子，整个分子链取向，内摩擦阻力大，粘度大。,Back,58,PPT学习交流,聚合物的结构因素对聚合物熔体或分散体的粘度有明显的影响。,分子链结构与极性的影响,聚合物的结构因素包括： 链的结构和链的极性、分子量、分子量分布以及聚合物的组成等。,2.5.4 聚合物结构因素和组成对粘度的影响,A 聚合物链的柔性：柔性越大，缠结点愈多

11、，链的解缠愈困难，非牛顿性更强 B 链的刚性和分子间作用力：刚性和分子间作用力增加，粘度对温度的敏感性越强，如聚苯乙烯、聚酰胺等聚合物。 C 聚合物的支链结构：长支链能增加与邻近分子的缠结，影响大。一般在相同特性粘度时，长支链支化使熔体粘度显著提高，支化度越大，粘度越高。长支链也会增大聚合物粘度对剪切速率的敏感性。支链越大，聚合物的自由体积增大，熔体粘度对压力和温度的敏感性增加。如聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯等。,59,PPT学习交流,聚合物分子量增大粘度也增大。因为聚合物分子量增大，不同链段偶然位移相互抵消的机会越多，因而分子链重心移动越慢，完成流动过程所需的时间越长和能量越多。,分子量的影响

12、,Flory对聚合物分子量和熔体粘度的研究发现： 当分子量低于500015000范围时，粘度与重均分子量 呈线性关系。 当分子量大于500015000范围时，在一定温度下粘度与重均分子量 呈指数关系,聚合物分子量为500015000范围时称为临界分子量(或缠结分子量),聚合物熔体的零切粘度 与重均分子量之间的关系 Fox-Flory公式,或,聚合物低剪切速率下的粘度，为牛顿流体,K是取决于聚合物性质和温度的实验常数，a为与聚合物有关的指数,60,PPT学习交流,聚合物粘度对分子量的依赖性并随剪切速率的变化，见图2-20,当 时，大多数聚合物的a=3.4-3.5。聚合物粘度随分子量的3.4-3.5次方急剧升高。由于链缠结作用引起流动单元变大，链的长度增加，缠结严重，流动阻力增加，零切粘度急剧增加，说明高分子量聚合物的加工十分困难，流动温度过高聚合物分解 ，影响制品的质量。,当 时，分子间也有缠结，但解缠结进行的极快，致使未形成有效的网状结构，大多数聚合物的1C3C4；聚合物：PIB聚异丁烯,log,0,4,1,5,0,2,3,1,2,3,4,5,6,6,7,PIB溶液,-1,-2,-2,-1,-3,-4,9%PIB溶液,3%PIB溶液,牛顿流动