實驗 rehologic

1、高分子物理實驗課之十三聚合物流變實驗聚合物流變實驗 聚合物材料聚合物材料恒負(fù)荷型恒負(fù)荷型毛細(xì)管流變實驗毛細(xì)管流變實驗高分子物理實驗課之十三高分子物理實驗課之十三高分子物理實驗課之十三流動的宇宙，變化的世界流動的宇宙，變化的世界萬物皆流萬物皆流運動是絕對的，運動是絕對的，靜止是相對的。靜止是相對的。高分子物理實驗課之十三高分子物理實驗課之十三松弛時間譜與測試時間松弛時間譜與測試時間t如果如果t ，i測試的性能為結(jié)構(gòu)單元測試的性能為結(jié)構(gòu)單元i及其及其 以下單元以下單元的性能的性能 參比物參比物那么那么高分子物理實驗課之十三高分子物理實驗課之十三流變學(xué)基本概念流變學(xué)基本概念 流變學(xué)是一門研究材料流變

2、學(xué)是一門研究材料 流動及變形流動及變形規(guī)律的科學(xué)。規(guī)律的科學(xué)。流動流動液體液體粘性粘性 耗散能量耗散能量 產(chǎn)生永久形變產(chǎn)生永久形變 無記憶效應(yīng)無記憶效應(yīng) 牛頓定律牛頓定律 時間過程時間過程變形變形固體固體彈性彈性 儲存能量儲存能量 形變可以恢復(fù)形變可以恢復(fù) 有記憶效應(yīng)有記憶效應(yīng) 胡克定律胡克定律 瞬時響應(yīng)瞬時響應(yīng)材料在大變形、長時間應(yīng)力材料在大變形、長時間應(yīng)力作用下呈現(xiàn)的非線性粘彈性作用下呈現(xiàn)的非線性粘彈性流變流變“固液兩相性固液兩相性”“非線性粘彈非線性粘彈性性”高分子物理實驗課之十三高分子物理實驗課之十三影響流變行為的因素概述影響流變行為的因素概述主鏈及側(cè)基主鏈及側(cè)基內(nèi)因內(nèi)因結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成組

3、成支鏈支鏈分子量及其分布分子量及其分布配方如共混、補強劑、增塑劑配方如共混、補強劑、增塑劑外因外因外部外部條件條件溫度溫度時間時間外力的作用性質(zhì)外力的作用性質(zhì)近程（一級）近程（一級）遠(yuǎn)程（二級）遠(yuǎn)程（二級）織態(tài)結(jié)構(gòu)織態(tài)結(jié)構(gòu)影響結(jié)構(gòu)影響結(jié)構(gòu)與松弛時間的關(guān)系與松弛時間的關(guān)系驅(qū)動力和圍壓力驅(qū)動力和圍壓力高分子物理實驗課之十三高分子物理實驗課之十三一、實驗?zāi)康囊弧嶒災(zāi)康?. 了解毛細(xì)管流變儀了解毛細(xì)管流變儀研究聚合物熔體研究聚合物熔體流變性能的一般流變性能的一般原理，原理，2. 初步掌握初步掌握XLY-II型流變儀的基本結(jié)構(gòu)型流變儀的基本結(jié)構(gòu)和操作技術(shù)，和操作技術(shù)，3. 掌握計算剪切應(yīng)力掌握計算剪切

4、應(yīng)力 、剪切速率剪切速率 和表和表觀粘度觀粘度 的方法。的方法。w&高分子物理實驗課之十三高分子物理實驗課之十三二、實驗原理二、實驗原理 推導(dǎo)思路：推導(dǎo)思路：先將聚合物熔體先將聚合物熔體看作牛頓流體看作牛頓流體建立流變方程建立流變方程（即剪切應(yīng)力和剪切速率關(guān)聯(lián)式）（即剪切應(yīng)力和剪切速率關(guān)聯(lián)式）然后對流變方程進(jìn)行非牛頓校正然后對流變方程進(jìn)行非牛頓校正入口校正入口校正高分子物理實驗課之十三高分子物理實驗課之十三圖圖13-1 熔體在毛細(xì)管內(nèi)的受力示意圖（放大）熔體在毛細(xì)管內(nèi)的受力示意圖（放大） 高分子物理實驗課之十三高分子物理實驗課之十三1.1.剪切應(yīng)力剪切應(yīng)力 設(shè)不可壓縮流體在半徑為設(shè)不可

5、壓縮流體在半徑為R的圓管中心層流方式的圓管中心層流方式流動。半徑為流動。半徑為r r的圓柱流體所受的力是平衡的，進(jìn)行的圓柱流體所受的力是平衡的，進(jìn)行受力分析：受力分析： 22rr LPr 2rP rL (1)高分子物理實驗課之十三高分子物理實驗課之十三R毛細(xì)管半徑毛細(xì)管半徑L毛細(xì)管長度毛細(xì)管長度W負(fù)荷量負(fù)荷量R1料筒半徑料筒半徑 長度單位：長度單位：mm (2)rR時，時，2122RP RR WLLR 由（由（1 1）式可見，毛細(xì)管中流體受到的剪切應(yīng)力）式可見，毛細(xì)管中流體受到的剪切應(yīng)力r，與與流層至管中心的距離流層至管中心的距離r成正比成正比，與壓力梯度，與壓力梯度P/L成正比，成正比， 高

6、分子物理實驗課之十三高分子物理實驗課之十三2.2.牛頓流體的剪切速率牛頓流體的剪切速率由定義可知牛頓流體的剪切速率為：由定義可知牛頓流體的剪切速率為：v v（r r）為流體的線速度，是為流體的線速度，是r r的函數(shù)的函數(shù)。 ( )2Wwdv rPrdrL&(3)當(dāng)當(dāng)r rR R時有時有：2wP RL &(4)高分子物理實驗課之十三高分子物理實驗課之十三對于對于上上式積分并加上邊界條件式積分并加上邊界條件 得：得：( )0r Rv r( )2RRrrPdv rrdrL2222( )()1 () 44PP Rrv rRrLLR (5)從管道的微小環(huán)面積從管道的微小環(huán)面積2 2r r

7、drdr來看，通過它的微小流出量來看，通過它的微小流出量可以用下式表示：可以用下式表示：2( )dQr v rdr (6)( )2Pdv rrdrL展開展開(3)(3)式：式：高分子物理實驗課之十三高分子物理實驗課之十三將（將（6 6）式兩邊積分得：）式兩邊積分得：02( )RQr v r dr 2202()4RPrRrdrL 由（由（4 4）式和（）式和（7 7）式可得：）式可得：34wRQ&213344wRQRR&R R毛細(xì)管半徑毛細(xì)管半徑R R1 1料筒半徑料筒半徑V V柱塞下降速度柱塞下降速度(8)43824RPP RRQLL (7)高分子物理實驗課之十三高分子物理實驗

8、課之十三3.3.牛頓流體的表觀粘度牛頓流體的表觀粘度a a牛牛 式中式中W W為所加砝碼的重量（單位，牛頓）。為所加砝碼的重量（單位，牛頓）。21()8wawWRVLR&牛(9) 應(yīng)當(dāng)指出，式（應(yīng)當(dāng)指出，式（8 8）、式（）、式（9 9）中的結(jié)果僅適用于牛頓）中的結(jié)果僅適用于牛頓流體，由于絕大數(shù)的聚合物熔體屬于非牛頓流體，故要對流體，由于絕大數(shù)的聚合物熔體屬于非牛頓流體，故要對式（式（8 8）和式（）和式（9 9）進(jìn)行必要的修正，即）進(jìn)行必要的修正，即RabinowitschRabinowitsch修正修正。高分子物理實驗課之十三高分子物理實驗課之十三( (二二) )Rabinowit

9、schRabinowitsch修正修正 - -非牛頓修正非牛頓修正 聚合物流體不是牛頓流體，一般為假塑性流體。聚合物流體不是牛頓流體，一般為假塑性流體。其流動行為符合冪律方程：其流動行為符合冪律方程：n n流體的流變指數(shù)（或稱非牛頓指數(shù)）流體的流變指數(shù)（或稱非牛頓指數(shù)） K K流體的稠度流體的稠度nwwK&1nwaK&牛(10)所以需要進(jìn)行校正所以需要進(jìn)行校正RabinowitschRabinowitsch校正校正高分子物理實驗課之十三高分子物理實驗課之十三將（將（1 1）式代入（）式代入（1010）式得）式得：111( )22nnnwdv rP rPrdrK LK L &am

10、p;（(11)當(dāng)當(dāng)r rR R時（時（1111）式有）式有：1)2nwP RK L & （(12)積分（積分（1 11 1）式并代入邊界條件）式并代入邊界條件：111( )()() ()21nnnnnPnv rRrK Ln(13)推導(dǎo)過程如下：推導(dǎo)過程如下：高分子物理實驗課之十三高分子物理實驗課之十三與牛頓流體相同，與牛頓流體相同，非牛頓流體的流量為非牛頓流體的流量為：2( )dQr v rdr 式式(13)(13)中的中的n n1 1，k k，則變回上述牛頓流體的體則變回上述牛頓流體的體積流量式積流量式(7)(7)。兩邊分別積分得兩邊分別積分得：02( )RQr v r dr 131

11、()()231nnnPnRK Ln(14)13()()231nPRnRK Ln高分子物理實驗課之十三高分子物理實驗課之十三 整理整理(8)(8)和和(14)(14)式式，得到非牛頓流體切變速率得到非牛頓流體切變速率 w w與牛頓流體切變速率與牛頓流體切變速率 w w之間的關(guān)系是之間的關(guān)系是: : 由該式可以看出對于假塑性流體由該式可以看出對于假塑性流體n1n40)L/D40)時，入口壓力降時，入口壓力降與毛細(xì)管中流動的壓力降相比可以忽略，與毛細(xì)管中流動的壓力降相比可以忽略，可以可以不引入入口校不引入入口校正，直接用（正，直接用（2 2）式計算）式計算w w值。值。 高分子物理實驗課之十三高分子

12、物理實驗課之十三( (三）彈性效應(yīng)的表征三）彈性效應(yīng)的表征 還有還有可逆的高彈形變可逆的高彈形變流動過程流動過程（擠出、壓延擠出、壓延）中中不僅有不僅有真實的流動真實的流動不可逆的塑性形變不可逆的塑性形變彈性恢復(fù)彈性恢復(fù)出口膨脹出口膨脹擠出脹大現(xiàn)象擠出脹大現(xiàn)象巴拉斯效應(yīng)巴拉斯效應(yīng)高分子物理實驗課之十三高分子物理實驗課之十三表示彈性記憶效應(yīng)大小的參數(shù)表示彈性記憶效應(yīng)大小的參數(shù)B B值值影響因素影響因素口型長徑比口型長徑比口口型型入口角入口角壓出膨脹比或膨脹率壓出膨脹比或膨脹率B B0DB=D壓出物直徑口型直徑內(nèi)因內(nèi)因外因外因壓出速度壓出速度壓出切變速率壓出切變速率結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)組成高分子物理實驗課

13、之十三高分子物理實驗課之十三三、實驗儀器三、實驗儀器 加壓系統(tǒng)是由加壓系統(tǒng)是由1 1: :1010的杠桿機構(gòu)的杠桿機構(gòu) ，連接砝碼的是動滑輪結(jié)構(gòu)，連接砝碼的是動滑輪結(jié)構(gòu)，不加砝碼時托盤等相當(dāng)于總重為不加砝碼時托盤等相當(dāng)于總重為0.5kg的砝碼，的砝碼，毛細(xì)管長徑比毛細(xì)管長徑比(L/D):5/1，10/1，20/1，40/1，升溫速度升溫速度16/minmin ，07以上以上-升溫最快升溫最快走紙速度可調(diào)，單位走紙速度可調(diào)，單位mm/h. 高分子物理實驗課之十三高分子物理實驗課之十三l注意：注意：1.每次實驗后清理料筒及工具。每次實驗后清理料筒及工具。2.避免空氣對流，保持恒溫。避免空氣對流，保

14、持恒溫。3.避免摔、碰機器和工具，防止損壞。避免摔、碰機器和工具，防止損壞。一、數(shù)據(jù)記錄一、數(shù)據(jù)記錄二、操作二、操作記錄在課本表記錄在課本表5中中樣品名稱樣品名稱日期日期實驗溫度實驗溫度毛細(xì)管直徑毛細(xì)管直徑長徑比長徑比系統(tǒng)負(fù)荷系統(tǒng)負(fù)荷走紙速度走紙速度YY值、值、XX值值 =(砝碼質(zhì)量砝碼質(zhì)量+1)20高分子物理實驗課之十三高分子物理實驗課之十三四、數(shù)據(jù)處理四、數(shù)據(jù)處理 1.處理步驟處理步驟原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)分別求對數(shù)分別求對數(shù)柱塞下降速度柱塞下降速度體積流量體積流量剪切應(yīng)力剪切應(yīng)力剪切速率剪切速率表觀剪切粘度表觀剪切粘度作圖分析作圖分析高分子物理實驗課之十三高分子物理實驗課之十三2.柱塞下降速度

15、的確定：柱塞下降速度的確定： 圖圖13-3柱塞的形成與時間變化關(guān)系圖柱塞的形成與時間變化關(guān)系圖高分子物理實驗課之十三高分子物理實驗課之十三1.剪切速率剪切速率2.剪切應(yīng)力剪切應(yīng)力(/ )vXXvmm stY走紙柱塞3600Q=SV2231()100()100(/ )cmmmvXQVmmsY21走紙S= R3634wQR&222214229.8/222109.8()9.8(10)2102wP RRWRmmMKgm sLLRLmmmmRM NMRPaLmmL高分子物理實驗課之十三高分子物理實驗課之十三五、思考題五、思考題 分別討論分子量、分子量分布、支化以及溫度對分別討論分子量、分子量分布、支化以及溫度對聚合物表觀粘度的影響。聚合物表觀粘度的影響。 為什么要進(jìn)行為什么要進(jìn)行BagleyBagley修正和修正和RabinowitschRabinowitsch修正？修正？ 如何用恒負(fù)荷型流變儀進(jìn)行如何用恒負(fù)荷型流變儀進(jìn)行BagleyBagley修正？