流變第七八節(jié)課 (1)

1、提綱流變測(cè)量學(xué)概述流變測(cè)量的基礎(chǔ)理論-流變表征的三種方法總結(jié)毛細(xì)管流變儀的原理流變測(cè)量學(xué)概述流變測(cè)量學(xué)的目的具體任務(wù)高分子流體流變測(cè)量方法的分類常用高分子流體流變測(cè)量?jī)x器的類型流變學(xué)測(cè)量的目的 物料的流變學(xué)表征。是最基本的流變測(cè)量任務(wù)；通過(guò)測(cè)量掌握物料的流變性質(zhì)與體系的組分、結(jié)構(gòu)及測(cè)試條件的關(guān)系，為材料設(shè)計(jì)、配方設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，控制、達(dá)到期望的加工流動(dòng)性和主要物理力學(xué)性能。 工程的流變學(xué)研究和設(shè)計(jì)的需要。借助流變測(cè)量研究聚合反應(yīng)工程，高分子加工工程及加工設(shè)備、模具設(shè)計(jì)制造中的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布，確定工藝參數(shù)，研究極限流動(dòng)條件及其與工藝過(guò)程的關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)工程優(yōu)化，完成設(shè)備與模具CAD設(shè)

2、計(jì)提供定量依據(jù)。 檢驗(yàn)和指導(dǎo)流變本構(gòu)方程理論的發(fā)展。這是流變測(cè)量的最高級(jí)任務(wù)，這種測(cè)量必須是科學(xué)的，經(jīng)得起驗(yàn)證的，通過(guò)測(cè)量，獲得材料真實(shí)的粘彈性變化規(guī)律及與材料結(jié)構(gòu)參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系，檢驗(yàn)本構(gòu)方程的優(yōu)劣。任務(wù) 理論上，要建立各種邊界條件下的可測(cè)之變量（如壓力、扭矩、轉(zhuǎn)速、頻率、線速度、流量、溫度等）與描述材料流變性質(zhì)但又不能直接測(cè)量的物理量（如應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速率、粘度、模量、法向應(yīng)力差系數(shù)等）間的恰當(dāng)聯(lián)系，分析各種流變測(cè)量實(shí)驗(yàn)的科學(xué)意義，估計(jì)引入的誤差。 實(shí)驗(yàn)技術(shù)上，要能夠完成很寬的粘彈性變化范圍內(nèi)（往往跨越幾個(gè)乃至十幾個(gè)數(shù)量級(jí)的變化范圍），針對(duì)從稀溶液到熔體等不同高分子狀態(tài)的體系的粘彈性測(cè)量，

3、并使測(cè)得的量值盡可能準(zhǔn)確地反映體系真實(shí)的流變特性和工程的實(shí)際條件。這兩項(xiàng)任務(wù)都是相當(dāng)艱巨的。高分子流體流變測(cè)量方法的分類根據(jù)物料的形變歷史分類，流變測(cè)量可分為：穩(wěn)態(tài)流變實(shí)驗(yàn)剪切速率場(chǎng)、溫度場(chǎng)恒為常數(shù)，不隨時(shí)間變化；動(dòng)態(tài)流變實(shí)驗(yàn)應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)交替變化，振幅小，正弦規(guī)律變化；瞬態(tài)流變實(shí)驗(yàn)應(yīng)力或應(yīng)變階躍變化，相當(dāng)于突然的起始流或終止流。常用高分子流體流變測(cè)量?jī)x器的類型 毛細(xì)管型流變儀，根據(jù)測(cè)量原理不同又可分為恒速型（測(cè)壓力）和恒壓力型（測(cè)流速）兩種。通常的高壓毛細(xì)管流變儀多為恒速型；塑料工業(yè)中常用的熔融指數(shù)儀屬恒壓力型毛細(xì)管流變儀的一種。 轉(zhuǎn)子型流變儀，根據(jù)轉(zhuǎn)子幾何構(gòu)造的不同又分為錐板型、平行板型（板

4、板型）、同軸圓筒型等。橡膠工業(yè)中常用的門尼粘度計(jì)可歸為一種改造的轉(zhuǎn)子型流變儀。常用高分子流體流變測(cè)量?jī)x器的類型 混煉機(jī)型轉(zhuǎn)矩流變儀，實(shí)際上是一種組合式轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x。除主機(jī)外，帶有一種小型密煉器和小型螺桿擠出機(jī)及各種口模。優(yōu)點(diǎn)在于其測(cè)量過(guò)程與實(shí)際加工過(guò)程相仿，測(cè)量結(jié)果更具工程意義。常見(jiàn)的有Brabender公司和Haake公司生產(chǎn)的塑性計(jì)。 振蕩型流變儀，用于測(cè)量小振幅下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，其結(jié)構(gòu)同轉(zhuǎn)子型流變儀。只是通過(guò)改造控制系統(tǒng)，使其轉(zhuǎn)子不是沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，而是作小振幅的正弦振蕩。DMA、旋轉(zhuǎn)流變儀1.穩(wěn)態(tài)粘彈性簡(jiǎn)單剪切流動(dòng)2 (N) (m )FA (m) (m)ud(s)t11112222333

5、301000001000000100TTpTTpTpTTp 11122122331000010000100p 11122N22233N2.動(dòng)態(tài)粘彈性小振幅振動(dòng)剪切流動(dòng) 0( )sin()tt3.瞬態(tài)粘彈性瞬態(tài)剪切流動(dòng)/0tte應(yīng)力松弛蠕變?nèi)渥儯?23( )J tJJJ/221(1)tJeE111/JE3/Jt蠕變松弛時(shí)間一般較短，所以隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，后續(xù)流動(dòng)主要表現(xiàn)為粘性流動(dòng)。階階越應(yīng)變速率越應(yīng)變速率應(yīng)力增長(zhǎng)應(yīng)力增長(zhǎng)毛細(xì)管流變實(shí)驗(yàn)原理及應(yīng)用 毛細(xì)管流變儀是目前發(fā)展得最成熟、應(yīng)用最廣的流變測(cè)量?jī)x之一，其主要優(yōu)點(diǎn)在于操作簡(jiǎn)單，測(cè)量準(zhǔn)確，測(cè)量范圍寬（剪切速率：10-2105s-1）。毛細(xì)管流變儀可分

6、為兩類：一類是壓力型毛細(xì)管流變儀，通常簡(jiǎn)稱為毛細(xì)管流變儀；另一類是重力型毛細(xì)管流變儀，如烏氏粘度計(jì)。壓力型毛細(xì)管流變儀既可以測(cè)定聚合物熔體在毛細(xì)管中的剪切應(yīng)力和剪切速率的關(guān)系，又可以根據(jù)擠出物的直徑和外觀以及在恒定應(yīng)力下通過(guò)改變毛細(xì)管的長(zhǎng)徑比來(lái)研究熔體的彈性和不穩(wěn)定流動(dòng)（包括熔體破裂）現(xiàn)象，從而預(yù)測(cè)聚合物的加工行為，作為選擇復(fù)合物配方，尋求最佳成型工藝條件和控制產(chǎn)品質(zhì)量的依據(jù)；此外，還可為高分子材料加工機(jī)械和成型模具的輔助設(shè)計(jì)提供基本數(shù)據(jù)，并可用作聚合物大分子結(jié)構(gòu)表征研究的輔助手段。A 剪切應(yīng)力分析：22Prr L 2P rL 管壁處的剪切應(yīng)力為：max2wwP rL 牛頓流體應(yīng)力分析：ent

7、capexitPPPP 2P rL 壓力校正BagleyBagley校正：校正：雙料桶校正雙料桶校正：B 剪切速率分析：對(duì)于牛頓流體，有2P rL 2wwwP rL 2dvP rdrL 2P rdvdrL ( )02v rrRP rdvdrL 22( )()4wPv rrrL40( ) 28RwrPQv rr drL 2wwwP rL 34wawQr（僅僅適用于牛頓流體，（僅僅適用于牛頓流體，也稱為表觀剪切粘度）也稱為表觀剪切粘度）對(duì)于冪律非牛頓流體：對(duì)于冪律非牛頓流體：1,nndvkkdr 112nnrrRRP rdvdrdrkkL 111( )21nnnnnP rnv rRrkLn 131

8、0( )2231nnRnPnQv rr drRkLn 11343324141nnwaP RQnnkkLRnn 2220000( )2RRRRdvdvQv rr drv rrdrrdrdrdr ln(3)(3)44lnawaaawawwdddd對(duì)于一般流體此式稱此式稱Rabinowich-MooneyRabinowich-Mooney公式。公式。A 聚合物熔體剪切粘度的研究B 流動(dòng)曲線的時(shí)溫疊加C 拉伸粘度的表征（入口壓力降）D 聚合物熔體的彈性研究（由末端校正計(jì)算熔體彈性；法向應(yīng)力差的計(jì)算；擠出脹大比的研究）E 熔體滑移的表征毛細(xì)管流變儀的應(yīng)用A 聚合物熔體剪切粘度的研究 最廣泛的應(yīng)用是測(cè)定零

9、剪切粘度以及剪最廣泛的應(yīng)用是測(cè)定零剪切粘度以及剪切粘度與剪切速率的關(guān)系。通過(guò)測(cè)定零剪切切粘度與剪切速率的關(guān)系。通過(guò)測(cè)定零剪切粘度隨各種聚合物分子結(jié)構(gòu)參數(shù)（如分子量、粘度隨各種聚合物分子結(jié)構(gòu)參數(shù)（如分子量、分子量分布、枝化程度）與流場(chǎng)參數(shù)（如剪分子量分布、枝化程度）與流場(chǎng)參數(shù)（如剪切速率、溫度、壓力）的變化值，即可建立切速率、溫度、壓力）的變化值，即可建立它們之間的定量關(guān)系式，得到理論模型的各它們之間的定量關(guān)系式，得到理論模型的各項(xiàng)常數(shù)。項(xiàng)常數(shù)。B 流動(dòng)曲線的時(shí)溫疊加C 拉伸粘度的表征（入口壓力降）零長(zhǎng)毛細(xì)管直接測(cè)量得到入口壓力降；兩根不同長(zhǎng)度的毛細(xì)管的壓力直接相減得到入口壓力降。D 聚合物熔體的彈性研究由末端校正計(jì)算熔體彈性；法向應(yīng)力差的計(jì)算；擠出脹大比的研究。由末端校正計(jì)算熔體彈性0cReeS1,2wRwNSRS為可恢復(fù)剪切形變?yōu)榻忉屨硰椥粤黧w的末端校正值，Philippoff和Gaskins基于入口區(qū)的力學(xué)平衡，提如如下關(guān)系：ce是Couctte校正，大約為0.