杨成玉流变学导论

1、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,Introduction to Rheology Cotent of polymer rheology Method of polymer rheology The basis of viscoelastic materials States of Matter The main rheological behavior of polymer,学习交流报告 汇报人：杨成玉,3,Introduction to Rheology,什么是流变学？ 流变学是物理学的一个分支，它主要研究材料在外界作用(

2、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 April, 29, 1929 Heraclitus (赫拉克利特, 纪元前五世纪的希腊哲学家)，“Everything Flows” (万物皆流),学习交流报告 汇报人：杨成玉,4,Introduction to Rheology,Genesis of Rheology 英国物理学家麦克斯韦在1869年发现，材料可以是弹性的，又可以

3、是粘性的。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。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，1929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家学会。当时，荷兰的工作处于领先地位，1948年国际流变学会议就是在荷兰举行的。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 Rheol

4、ogy,Examples for Applications of Rheology Polymer Plastics; Rubbers; Fibers; Adhesives（粘合剂）; Coatings（涂料） - Melts: Injection; Extrusion; Thermoforming （热加工）. - Solids: Mechanical Properties ; Deformation; Fracture. Biology, Medicine Medicament(药剂); Hemorheology（血液流变学） ; Muscle Chemical Engineering G

5、eology，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,Introduction to Rheology Cotent of polymer rheology Method of polymer rheology The basis of viscoelastic materials States of Matter The main rheological behavior of polymer,学习交流报告 汇报人：杨成玉,7,Cotent of polymer rheology,聚合物的结构和聚合

6、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,Introduction to Rheology Cotent of polymer rheology Method of polymer rheology The basis of viscoelastic materials States of Matter The main rheolo

7、gical behavior of polymer,学习交流报告 汇报人：杨成玉,9,Method of polymer rheology,理论模拟 宏观法 即经典的唯象研究方法，是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。 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 即分子流变学方法，是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 rheol

8、ogy,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 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,Introduction to Rheology Cotent of polymer rheology Method of polymer rheology The basis of viscoelasti

9、c materials States of Matter The main rheological behavior of polymer,学习交流报告 汇报人：杨成玉,12,The basis of viscoelastic materials,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

10、也就越大,学习交流报告 汇报人：杨成玉,13,The basis of viscoelastic materials,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,粘性和弹性的转化 传统观念中，固体毫无疑问是弹性

11、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,Introduction to Rheology Cotent of polymer rheology Method of polymer rheology Th

12、e basis of viscoelastic materials States of Matter The main rheological behavior of polymer,学习交流报告 汇报人：杨成玉,16,States of Matter,Small molecules and Polymer,Much more complex behavior,Small molecules,Polymer,Gas-Water-Ice,学习交流报告 汇报人：杨成玉,17,汇报提纲,Introduction to Rheology Cotent of polymer rheology Metho

13、d of polymer rheology The basis of viscoelastic materials States of Matter The main rheological behavior of polymer,学习交流报告 汇报人：杨成玉,18,The main rheological behavior of polymer,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

14、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,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,聚合物溶液的主要弹性表现 Hole Pressure Error（孔压误差） 粘弹性流体

15、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,聚合物溶液的宏观流变性 静态流变（Static rheology） 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。 主要特点在于，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

16、流动 从测试角度可实现 剪切速率扫描 固定剪切速率下的时间扫描,学习交流报告 汇报人：杨成玉,22,The main rheological behavior of polymer,聚合物溶液的宏观流变性 聚合物溶液非线性粘性的变化 在剪切速率不断变化的情况下，随着剪切速率的增加，表现出剪切稀释性和剪切增稠性，这与聚合物分子结构和分子间的各种作用力的作用有关，包括氢键、范德华力、静电力等以及其他的非分子间作用力,学习交流报告 汇报人：杨成玉,23,The main rheological behavior of polymer,聚合物溶液的动态粘弹性 动态流变（Dynamic rheology

17、） 对流体施加周期性作用，记录流体在周期性应力或应变下产生振荡剪切(Oscillatory shear)特征的研究方法。周期性的外力通常是正弦波形式 实验角度可实现 特定应力或应变下频率扫描 特定频率下应力扫描或应变扫描 特定频率及特定应力或应变下的时间扫描,学习交流报告 汇报人：杨成玉,24,The main rheological behavior of polymer,聚合物溶液的动态粘弹性 应力扫描实验 由于动态测试研究的是聚合物溶液的线性粘弹性，实验必须在聚合物溶液的线性粘弹性区域内进行。 线性粘弹区域可限定为复合模量恒定的振幅区域内。 在非线性条件下，样品被破坏到一定程度，分子或聚

18、集体内部的瞬时键遭到破坏，产生了剪切稀释，施加的能量大部分变为热能而不可逆的损失掉 因此，首先应该进行应力振幅扫描实验，一般采用将频率固定于1 Hz进行应力振幅扫描。在选定能保证样品安全地处于线性黏弹性区域的合适振幅后，再进行频率扫描实验。,学习交流报告 汇报人：杨成玉,25,The main rheological behavior of polymer,聚合物溶液的动态粘弹性 频率扫描实验 基于应力扫描实验的结果，选择所要测的不同聚合物溶液均处在线性粘弹区域的应力，进行频率扫描实验 主要机理就是对溶液施加一个振荡应变，使其在非破坏状态下对剪切频率做出粘弹性响应，可以模拟非流动的情况，得到流体的储能模量和损耗模量，进而可以表征流体的弹性或粘性特征 储能模量低于损耗模量，溶液以粘性为主,学习交流报告 汇报人：杨成玉,2