聚合物流變性質(zhì)PPT課件

1、 思考題 1) 聚合物的流動行為是如何分類的？ 2) 非牛頓性液體的流動行為曲線和流變行為是怎樣的？ 3) 常見的非牛頓性液體有幾種？它們流動時粘度是如何隨著剪切速率變化的？ 4)溫度和剪切速率對聚合物熔體黏度的影響。第1頁/共46頁前言 什么是流變學 研究物質(zhì)形變和流動的科學。研究物質(zhì)形變和流動的科學。 聚合物流變學研究的對象 應力作用下高分子材料產(chǎn)生彈性、塑性和粘性行為以及研應力作用下高分子材料產(chǎn)生彈性、塑性和粘性行為以及研究這些行為與各種因素之間的相互關(guān)系。究這些行為與各種因素之間的相互關(guān)系。 聚合物流變學研究的復雜性 聚合物流變行為十分復雜；對于聚合物流變行為的解釋仍然聚合物流變行為十

2、分復雜；對于聚合物流變行為的解釋仍然有很多是定性的或經(jīng)驗的。有很多是定性的或經(jīng)驗的。第2頁/共46頁第一節(jié) 聚合物熔體的流變行為 加工過程中聚合物的形變是由于外力作用的結(jié)果，材料加工過程中聚合物的形變是由于外力作用的結(jié)果，材料受力后內(nèi)部產(chǎn)生與外力相平衡的應力。由受力方式不同可受力后內(nèi)部產(chǎn)生與外力相平衡的應力。由受力方式不同可分為：剪切應力分為：剪切應力 ，拉伸應力，拉伸應力，和流體靜壓力，和流體靜壓力P P。單位時間內(nèi)的應變稱為應變速率（或速度梯度），表示為dd t第3頁/共46頁一、牛頓流體及其流動方程第4頁/共46頁牛頓流體的流動定律dvddrdt為比例常數(shù)，稱為牛頓粘度第5頁/共46頁牛

3、頓流體的應力-剪切速度曲線第6頁/共46頁牛頓流體的粘度-剪切速度曲線第7頁/共46頁二、非牛頓流體及其流變行為 聚合物由于其大分子長鏈結(jié)構(gòu)和分子間的纏結(jié)，它的流動行為比較復雜。它的流動常常是，剪應力與剪切速率不再成比例關(guān)系，其粘度也不再是常數(shù)。把這類不服從牛頓流動定律的流動稱為非牛頓流動。具有此種流動行為的液體稱為非牛頓液體。第8頁/共46頁幾種典型的非牛頓流體第9頁/共46頁粘性液體及其指數(shù)定律nnndvdKKKdrdtn 稱為流動行為特定指數(shù)（簡稱流動指數(shù)），表征液 體偏離牛頓型流動的程度。第10頁/共46頁logloglogKn1-牛頓流體2-膨脹性流體3-假塑性流體（服從指數(shù)定律）4

4、-假塑性流體（不服從指數(shù)定律）第11頁/共46頁寬剪切速率范圍的流動曲線第12頁/共46頁第一流動區(qū)1、低剪切速度下流動，表現(xiàn)為牛頓性流動2、液體具有恒定的粘度3、適合流延成型、膠乳的涂刮、涂料的涂刷等4、聚合物流體在第一流動區(qū)所對應的粘度稱為，零切粘度0第13頁/共46頁第二流動區(qū)1、聚合物流體表現(xiàn)為非牛頓性流動區(qū)域；2、在剪應力的作用下，液體的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，粘度也隨之發(fā)生變化；3、粘度變化的兩種趨勢：剪切變稀、剪切增稠第14頁/共46頁第三流動區(qū)聚乙烯的流動曲線1-121.1; 2-148.9; 3-176.5; 4-204.3; 5-234.3第15頁/共46頁時間依賴性液體表現(xiàn): 流

5、動時的應變或粘度不僅與剪應力(或剪切速度)的大小有關(guān)，還與應力作用時間有關(guān)。第16頁/共46頁兩種表觀粘度隨時間的變化1、觸變性液體：作用時間增加，表觀粘度降低產(chǎn)生原因：外力作用下，將靜止時形成的次價鍵交聯(lián)點破壞，從而是粘度降低。2、震凝性液體：作用時間增加，表觀粘度增加產(chǎn)生原因：液體中不對稱的粒子在剪切作用下發(fā)生了取向排列，形成暫時的次價鍵交聯(lián)點這兩種液體粘度變化都是可逆的，因為液體中粒子或分子沒有發(fā)生永久性的形變。第17頁/共46頁粘彈性液體粘彈性液體的應力-應變關(guān)系曲線a-成型加工時的形變(TTg); b-成型后可逆形變回復(TTg);c-成型后可逆形變回復(T=室溫或Tt*，液體總形變

6、以粘性形變?yōu)橹?，反之以彈性行為為主?）粘度很低的簡單液體：t*=10-11s， 固體： t*104s 一般彈性體： t*在10-4-104之間（3）流動液體中的彈性形變還與聚合物的分子量、外力作用時間、速度及熔體溫度有關(guān)。第19頁/共46頁三、熱塑性和熱固性聚合物流變行為的比較熱塑性聚合物：加熱主要發(fā)生物理變化，使聚合物達到粘流態(tài)以成型，然后冷卻定型，材料的粘度在加工條件下沒有發(fā)生不可逆變化。熱固性聚合物：加熱不僅發(fā)生物理變化，而且使活性官能團發(fā)生交聯(lián)。一旦材料硬化后，。.( , , )fT熱固性聚合物熔體的剪切粘度與溫度、剪切速率和硬化程度有關(guān)。第20頁/共46頁1tAe其中A,為常數(shù)；t

7、為加熱時間，t增加則降低。加工溫度對熔體流動性的影響,bTHAe在一定的溫度范圍內(nèi)，流度隨著時間的延長而下降。Gibson關(guān)系式流動度降低到某一定值時，所需的硬化時間H與溫度T的關(guān)系。A,b為常數(shù)，T為加工時的溫度。第21頁/共46頁t bTVcAe綜合考慮時間與溫度的因素Vc-硬化速度； T-溫度； t 時間第22頁/共46頁第23頁/共46頁第24頁/共46頁第25頁/共46頁第26頁/共46頁 第二節(jié)第二節(jié) 影響聚合物流變行為的影響聚合物流變行為的主要因素主要因素第27頁/共46頁第二節(jié) 影響聚合物流變行為的主要因素 在一定的剪切速度下，聚合物的粘度由聚合物熔體中的自在一定的剪切速度下，

8、聚合物的粘度由聚合物熔體中的自由體積和大分子鏈間的纏結(jié)決定。由體積和大分子鏈間的纏結(jié)決定。影響聚合物粘度的主要因素有： 一、溫度二、壓力三、剪切速度或剪切力四、聚合物的結(jié)構(gòu)及組成第28頁/共46頁一、溫度對粘度的影響 熱塑性聚合物熔體粘度隨著溫度升高而呈指數(shù)函數(shù)的方式降低。粘度對溫度的依賴關(guān)系用Andrade公式表示：lnlnEARTA:T時的粘度常數(shù)R:氣體常數(shù)E：聚合物粘流活化能E的大小反應聚合物粘度對溫度的依賴性公式僅適用于溫度變化很窄的范圍，這一范圍大約有37.8的區(qū)間。第29頁/共46頁 E的大小反映聚合物黏度對溫度的依賴性。的大小反映聚合物黏度對溫度的依賴性。 E愈大，榕體對溫度愈

9、敏感。愈大，榕體對溫度愈敏感。第30頁/共46頁聚合物熔體粘度對溫度的依賴性1-PS 2-PC3-PMMA 4-PP5-CA 6-HDPE7-POM 8-PA9-PETD 第31頁/共46頁 聚合物黏度對溫度的依賴性還可以用聚合物黏度對溫度的依賴性還可以用 溫度敏感性指標溫度敏感性指標來表示。來表示。 給定剪切速率下相差給定剪切速率下相差40 的兩個溫度的 黏度比來表示。第32頁/共46頁 只有當聚合物處于粘流溫度以上不寬的溫度范圍內(nèi)， Andrade公式材適用。 當溫度從玻璃化溫度到熔點（粘流溫度）很寬的范圍時，聚合物的粘流活化能已不為一常數(shù)。第33頁/共46頁 W.L.F公式 Willia

10、ms等人發(fā)現(xiàn)：TgTg到到 Tg+100Tg+100， 非晶態(tài)聚合物粘度的對數(shù)與其處于溫度T時的自由體積分數(shù)成反比。第34頁/共46頁12()loglog()TgC TTgCTTg公式用途：（1 1）以一定溫度下測得的粘度數(shù)據(jù)來計算非晶態(tài)聚合物在其它溫度時的粘度；（2 2）粘度已知時，確定所需的溫度。適用范圍： 溫度在Tg-Tg+100內(nèi)第35頁/共46頁二、壓力對粘度的影響第36頁/共46頁1 1、壓力作用下，聚合物的體積縮小體積的縮小用體積變化的分數(shù)V/VV/V* *100%100%表示。壓縮率。第37頁/共46頁2 2、壓力作用下的粘度變化、壓力作用下的粘度變化 壓力作用使聚合物的自由體

11、積減小，大分子的間距壓力作用使聚合物的自由體積減小，大分子的間距增增加，鏈段的活動范圍縮小，分子間作用力增加，以致加，鏈段的活動范圍縮小，分子間作用力增加，以致液液體的粘度增加。體的粘度增加。第38頁/共46頁 增加壓力引起液體粘度變化說明，單純增加壓力增加壓力引起液體粘度變化說明，單純增加壓力來來提高聚合物液體的流量是不合適的，過大的壓力會造提高聚合物液體的流量是不合適的，過大的壓力會造成功率的過大消耗和設(shè)備的更大磨損。成功率的過大消耗和設(shè)備的更大磨損。第39頁/共46頁3、壓力溫度等效性一種聚合物在正常的加工溫度范圍內(nèi)，增加壓力對粘度的影響與降低溫度的影響具有相似性。這種在加工過程中通過改變壓力和溫度都能獲得相同的粘度變化的效應稱為壓力溫度等效性。第40頁/共46頁三、粘度對剪切速度的依賴性在通常的加工條件下，大多數(shù)的聚合物熔體都表現(xiàn)為非牛頓型流動，其粘度對剪切速度有依賴性。1、粘度對剪切速度的依賴性 以100秒-1和1000秒-1的粘度比來表示粘度對剪切速度的敏感性。2、加工時剪切速度的選擇選擇粘度對剪切速度不敏感的區(qū)域進行。第41頁/共46頁四、結(jié)構(gòu)、組成對粘度的影響1、鏈結(jié)構(gòu)和鏈的極性（1）柔性鏈（2）剛性鏈（3）支鏈（4）側(cè)基第42頁/共4