第三章高分子流體的流變模型演示文稿

第三章高分子流體的流變模型演示文稿當(dāng)前1頁，總共40頁。優(yōu)選第三章高分子流體的流變模型當(dāng)前2頁，總共40頁。3.1聚合物的流變學(xué)性質(zhì)一、牛頓流體與非牛頓流體

流體在管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)：層流湍流層流的特征：是流體質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)方向與流道軸線平行，其流動(dòng)速度也相同，所有流體質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)軌跡均相互平行。當(dāng)前3頁，總共40頁。湍流的特點(diǎn)：是管內(nèi)的流體質(zhì)點(diǎn)除了在與軸線平行的方向流動(dòng)外，還在管內(nèi)的橫向上做不規(guī)則的任意流動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)軌跡成紊亂狀態(tài)。

英國(guó)物理學(xué)家雷諾提出的流體的流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變(由層流變?yōu)橥牧?條件為：

Re=dvρ/η<Rec

Re——雷諾數(shù)；d——管道直徑；ρ——流體密度；

v——流體速度；η——流體動(dòng)力粘度；

Rec——臨界雷諾數(shù)；當(dāng)前4頁，總共40頁。Rec的大?。号c流道的斷面形狀和流道壁的表面粗糙度有關(guān)系。

——光滑的圓管，Rec=2000～2300；當(dāng)Re的值大于2000～2300時(shí)——

流體流動(dòng)的狀態(tài)才能轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。大多?shù)聚合物熔體的粘度都很高，成型時(shí)的流速不大，流體流動(dòng)的Re值遠(yuǎn)小于Rec

。

一般為10左右，因此，通?？蓪⒕酆衔锶垠w的流動(dòng)視為層流狀態(tài)來進(jìn)行研究。當(dāng)前5頁，總共40頁。牛頓流體：是指當(dāng)流體以切變方式流動(dòng)時(shí)，其切應(yīng)力與剪切速率間存在線性關(guān)系。牛頓流體的流變方程式為3.1牛頓流體模型當(dāng)前6頁，總共40頁。

由于大分子的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)和纏結(jié)，聚合物熔體的流動(dòng)行為遠(yuǎn)比低分子液體復(fù)雜。在廣闊的剪切速率范圍內(nèi)，這類液體流動(dòng)時(shí)：切應(yīng)力和剪切速率不再成正比關(guān)系;熔體的粘度也不再是一個(gè)常數(shù)；聚合物熔體的流變行為不服從牛頓流動(dòng)規(guī)律。非牛頓型流動(dòng)：不服從牛頓流動(dòng)規(guī)律的流動(dòng).非牛頓流體：具有不服從牛頓流動(dòng)規(guī)律的流動(dòng)行為的液體。當(dāng)前7頁，總共40頁。在注射成型中——

少數(shù)聚合物熔體的粘度對(duì)剪切速率不敏感，如聚酰胺、聚碳酸酯等，把它們近似視為牛頓流體；絕大多數(shù)的聚合物熔體都表現(xiàn)為非牛頓流體。近似地服從（Qstwald-DeWaele）指數(shù)流動(dòng)規(guī)律：當(dāng)前8頁，總共40頁。

表觀粘度的力學(xué)性質(zhì)——與牛頓粘度相同。表觀粘度表征的是：服從指數(shù)流動(dòng)規(guī)律的非牛頓流體在外力的作用下抵抗剪切變形的能力。表觀粘度除與流體本身以及溫度有關(guān)；還受到剪切速率的影響；當(dāng)前9頁，總共40頁。

——意味著外力的大小及其作用時(shí)間也能夠改變流體的粘稠性。

K值及n值均可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。

n大小反映了聚合物熔體偏離牛頓性質(zhì)的程度:

當(dāng)n=1時(shí)，ηa=K=η，這時(shí)非牛頓流體就轉(zhuǎn)變?yōu)榱伺ｎD流體。當(dāng)n≠1時(shí)，絕對(duì)值|1-n|的值越大，剪切速率對(duì)表觀粘度ηa的影響也越大。當(dāng)其他條件一定時(shí)，K值的大小反映了流體粘稠性的程度。當(dāng)前10頁，總共40頁。特魯頓公式：拉伸黏度與剪切黏度還符合以下關(guān)系：e是拉伸黏度，也稱為特魯頓黏度。牛頓流體的流動(dòng)特點(diǎn)：

1)變形時(shí)間的依賴性，流體變形隨著時(shí)間不斷發(fā)展。

2)流體變形的不可恢復(fù)性，其變形是永久性。

3)能量耗散，外力對(duì)流體做的功在流動(dòng)中轉(zhuǎn)為熱能而散失，與彈性形變不同，流動(dòng)不具有記憶效應(yīng)。

4)正比性，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，黏度與應(yīng)變速率無關(guān)。當(dāng)前11頁，總共40頁。①低分子化合物的液體或溶液。如水和甲苯等。

②極少數(shù)聚合物熔體（聚碳酸酯、偏二氯乙烯—氯乙烯共聚物等）。③在一定范圍內(nèi)（＞104s-1，＜10s-1

）大多數(shù)的聚合物熔體。牛頓流體的種類當(dāng)前12頁，總共40頁。

但是，聚合物成型加工多是在10s-1＜＜104s-1范圍內(nèi)進(jìn)行，在此范圍內(nèi)，聚合物流體的流動(dòng)行為與牛頓流體不符。10s-1104s-1牛頓流體牛頓流體非牛頓流體當(dāng)前13頁，總共40頁。當(dāng)前14頁，總共40頁。當(dāng)前15頁，總共40頁。3.2廣義牛頓流體對(duì)于高分子流體來說，在一定的流場(chǎng)作用下，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生變化，從而引起黏度的變化。冪律定律：K為黏度系數(shù)，單位Pa.sn；n為流動(dòng)指數(shù)，無量綱。一般適合剪切速率較大場(chǎng)合。（大于10s-1）當(dāng)前16頁，總共40頁。如果將低剪切速率考慮進(jìn)去的話，則：0為零切黏度冪律定律中，n為常數(shù)，與溫度無關(guān)；k和一樣，都是溫度的函數(shù).當(dāng)前17頁，總共40頁?？迥Ｐ?是零切黏度∞是剪切速率是無窮大時(shí)的另一個(gè)平衡黏度。是松弛時(shí)間，n為參數(shù)，與剪切速率無關(guān)。對(duì)于大多數(shù)高分子液體來講，當(dāng)剪切速率達(dá)到一定值時(shí)，大分子鏈發(fā)生降解，∞可以取零。當(dāng)前18頁，總共40頁。3.3冪律流體模型

冪律方程當(dāng)前19頁，總共40頁。流體流動(dòng)曲線剪切速率當(dāng)前20頁，總共40頁。當(dāng)前21頁，總共40頁。3.3.2假塑性流體特征：當(dāng)剪切應(yīng)力τ或剪切速率增加時(shí),表觀粘度隨之減小。假塑性流動(dòng)的特點(diǎn)：沒有屈服值；過原點(diǎn)；切應(yīng)速度增大，形成向下彎的上升曲線，粘度下降，液體變稀。當(dāng)前22頁，總共40頁。高分子流動(dòng)曲線分析在流動(dòng)場(chǎng)中分子鏈的形態(tài)發(fā)生變化的結(jié)果。分子量超過臨界值:纏結(jié)和解纏結(jié)；相互作用力物理交聯(lián)點(diǎn)破壞與重建導(dǎo)致黏度變化第一牛頓，第二牛頓區(qū)域，物理交聯(lián)點(diǎn)的變化極高剪切速率下：不穩(wěn)定流動(dòng)，發(fā)熱當(dāng)前23頁，總共40頁。分子取向填料取向液滴變形假塑性流體剪切變稀的內(nèi)部形態(tài)變化機(jī)制當(dāng)前24頁，總共40頁。當(dāng)前25頁，總共40頁。3.3.3脹塑性流體（膨脹性流體）特征：流體的表觀黏度隨切變速度的增加而增加，剪切稠化。懸浮物，涂料，泥漿，淀粉，凝膠等。顆粒分散，不是團(tuán)聚，分散相黏度足夠大，分散介質(zhì)侵潤(rùn)性很小，甚至不侵潤(rùn)。原因：剪切應(yīng)力不大，顆粒是分開的；剪切應(yīng)力增大，顆粒接觸機(jī)會(huì)增加，攪在一起，增加阻力。攪拌速度越高，阻力越大；濃度大小，這種結(jié)構(gòu)不易形成；濃度太高，剪切增稠不明顯。當(dāng)應(yīng)力去除后，這種聚集結(jié)構(gòu)又松散開來，黏度降低。當(dāng)前26頁，總共40頁。黏度沒屈服值；過原點(diǎn)；切應(yīng)速度很小時(shí)，液體流動(dòng)速度較大，當(dāng)切應(yīng)速度逐漸增加時(shí)，液體流動(dòng)速度逐漸減小，液體對(duì)流動(dòng)的阻力增加，表觀粘度增加，流動(dòng)曲線向上彎曲。當(dāng)前27頁，總共40頁。剪切應(yīng)力靜態(tài)松弛黏度當(dāng)前28頁，總共40頁。

懸浮液靜止時(shí)，其中的固體粒子堆積緊密，空隙小，并充滿了液體，當(dāng)剪切作用較小時(shí)，固體粒子在液體的潤(rùn)滑作用下產(chǎn)生相對(duì)滑移，保持原有緊密堆砌下進(jìn)行移動(dòng)，故懸浮液有恒定的表觀粘度，表現(xiàn)為牛頓流動(dòng)；當(dāng)剪切作用進(jìn)一步增強(qiáng)時(shí)，粒子間碰撞增大，粒子間空隙增大，總體積增加，但粒間液體不能再充滿空隙，因此粒間潤(rùn)滑作用減小，阻力增大，表觀粘度增大。

PVC糊及少數(shù)含有固體物質(zhì)的聚合物熔體.脹塑性流體剪切變稠的內(nèi)部形態(tài)變化機(jī)制當(dāng)前29頁，總共40頁。3.3.4賓漢流體模型

賓漢液體流變方程式：

ηp稱為賓漢粘度或塑性粘度。解釋：賓漢液體在靜止時(shí)內(nèi)部具有凝膠結(jié)構(gòu)，當(dāng)應(yīng)力小于臨界應(yīng)力時(shí)，這種結(jié)構(gòu)能承受應(yīng)力作用；當(dāng)應(yīng)力大于臨界應(yīng)力時(shí)，凝膠結(jié)構(gòu)被破壞，流體開始流動(dòng)，并呈牛頓流動(dòng)方式。當(dāng)前30頁，總共40頁。剪切應(yīng)力剪切速率屈服脹塑性流體賓漢塑性流體屈服假塑性流體廣義賓漢流體：塑性流體；剪切變?。患羟凶兂?。當(dāng)前31頁，總共40頁。時(shí)間依賴性液體時(shí)間依賴性液體：流動(dòng)時(shí)的應(yīng)變和粘度不僅與剪應(yīng)力或剪切速率的大小有關(guān)，而且還與應(yīng)力作用的時(shí)間有關(guān)。典型特征：較長(zhǎng)時(shí)間作用與較大應(yīng)力作用有相同的結(jié)果；應(yīng)變存在滯后效應(yīng)，增加應(yīng)力和降低應(yīng)力兩個(gè)過程的應(yīng)變曲線不能重合，存在滯后環(huán)。當(dāng)前32頁，總共40頁。3.5觸變性流體流體受到剪切時(shí)，稠度變小，停止剪切時(shí)，稠度又增加或受到剪切時(shí)，稠度變大，停止剪切時(shí)，稠度又變小的性質(zhì)。即一觸即變的性質(zhì)。剪切速率不變，黏度隨著時(shí)間增加而減少。當(dāng)前33頁，總共40頁。特點(diǎn)：(1)從有結(jié)構(gòu)到無結(jié)構(gòu)，或從結(jié)構(gòu)的拆散作用到結(jié)構(gòu)的恢復(fù)作用是一個(gè)等溫可逆轉(zhuǎn)換過程；(2)體系結(jié)構(gòu)的這種反復(fù)轉(zhuǎn)換與時(shí)間有關(guān)，即結(jié)構(gòu)的破壞和結(jié)構(gòu)的恢復(fù)過程是時(shí)間的函數(shù)。觸變性是體系在恒溫下“凝膠-溶膠”之間的相互轉(zhuǎn)換過程的表現(xiàn)。觸變體回復(fù)需要時(shí)間(3)在一定剪切速率下，應(yīng)力從最大值減小到平衡值。塑性流體、假塑性流體、脹性流體中多數(shù)具有觸變性，它們分別稱為觸變性塑性液體、觸變性假塑性液體、觸變性脹性液體。當(dāng)前34頁，總共40頁。觸變性流體的時(shí)間－粘度曲線

觸變性的圖示

粘度隨剪切的時(shí)間下降達(dá)到最低值（“溶膠”狀態(tài)），靜止后結(jié)構(gòu)恢復(fù)，最后恢復(fù)到凝膠狀態(tài)，但恢復(fù)需要的時(shí)間長(zhǎng)得多

不同的觸變性表現(xiàn)為粘度恢復(fù)的快慢，雖然完全恢復(fù)需要較長(zhǎng)時(shí)間，但初期恢復(fù)的比例常會(huì)在幾秒或幾分鐘內(nèi)達(dá)到30％～50％。這種初期恢復(fù)性在實(shí)際應(yīng)用中很重要。對(duì)涂料、化妝品和藥物等生產(chǎn)和應(yīng)用十分重要。

當(dāng)前35頁，總共40頁。產(chǎn)生觸變的原因：觸變性流體通常具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，稱之為凝膠，由分子間的氫鍵等作用力而形成；由于這種鍵力很弱、當(dāng)受剪切力作用，它很容易斷裂，凝膠逐漸受到破壞，這種破壞是有時(shí)間依賴性的，最后會(huì)達(dá)到在給定剪切速率下的最低值，這時(shí)凝膠完全破壞，成為“溶膠”。當(dāng)剪切力消失時(shí)，凝膠結(jié)構(gòu)又會(huì)逐漸恢復(fù)，但恢復(fù)的速度比破壞的速度慢得多。觸變性就是凝膠結(jié)構(gòu)形成和破壞的能力。當(dāng)前36頁，總共40頁。

其流動(dòng)曲線的特性表現(xiàn)為剪切應(yīng)力的下降曲線，并與上升曲線相比向左遷移。在圖上表現(xiàn)為環(huán)狀滯后曲線。也就是說，用同一個(gè)S值進(jìn)行比較，曲線下降時(shí)粘度低，上升時(shí)被破壞的結(jié)構(gòu)并不因?yàn)閼?yīng)力的減少而立即恢復(fù)原狀，而是存在一種時(shí)間差。即所謂的觸變性是施加應(yīng)力使其流體產(chǎn)生流動(dòng)時(shí)，流體的流動(dòng)性暫時(shí)性增加。觸變性的測(cè)定可以通過計(jì)算滯后環(huán)狀曲線所包圍的面積，推測(cè)由觸變流動(dòng)而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)的破壞和恢復(fù)原來狀態(tài)的程度。通過這種方法可以控制制劑的特性和產(chǎn)品的質(zhì)量。當(dāng)前37頁，總共40頁。不同的觸變流體在同樣的剪切歷史