高分子材料流變學(xué)

【名詞解釋】1.假塑性流體：黏度隨剪切速率的增加而降低的流體，粘度與剪切應(yīng)力之間的關(guān)系服從冪律定律，其中，非牛頓指數(shù)n<12.膨脹性流體:黏度隨剪切速率的增加而升高的流體，粘度與剪切應(yīng)力之間的關(guān)系服從冪律定律，其中非牛頓指數(shù)n>13.賓漢流體:指當(dāng)所受的剪切應(yīng)力超過臨界剪切應(yīng)力后，才能變形的流動(dòng)的流體，亦稱塑性流體，其中剪切應(yīng)力與剪切速率服從τ=τy+ηpγ4.牛頓流體:剪切應(yīng)力與剪切速率之間呈線性關(guān)系，表達(dá)式為τ=μγ的流體5.剪切變?。赫扯入S剪切速率升高而降低6.爬桿效應(yīng)：當(dāng)金屬桿在盛有高分子流體的容器中旋轉(zhuǎn)，熔體沿桿上爬的現(xiàn)象7.擠出脹大：聚合物熔體擠出圓形截面的毛細(xì)管時(shí)，擠出物的直徑大于毛細(xì)管模直徑8.熔體破裂：聚合物熔體在毛細(xì)管中流動(dòng)時(shí)，當(dāng)剪切速率較高時(shí)，聚合物表面出現(xiàn)不規(guī)則的現(xiàn)象，如竹節(jié)狀，鯊魚皮狀9.無管虹吸：當(dāng)插入聚合物溶液中的玻璃管，提離液面之上時(shí)，聚合物溶液繼續(xù)沿玻璃管流出的現(xiàn)象10.第一法向應(yīng)力差：高聚物熔體流動(dòng)時(shí)，由于彈性行為，受剪切的作用時(shí)，產(chǎn)生法向應(yīng)力差，其中滿足關(guān)系式N1=τ11?τ22=φ1?γ212(N1通常為正值)11.第二法向應(yīng)力差：同上，關(guān)系式為N2=τ22?τ33=φ2?γ212(N2通常為負(fù)值)12.本構(gòu)方程：是一類聯(lián)系應(yīng)力張量和應(yīng)變張量或應(yīng)變速率張量之間的關(guān)系方程，而聯(lián)系的系數(shù)通常是材料的常數(shù)。13.剪切應(yīng)力：單位面積上的剪切力，τ=FA14.剪切速率：流體以一定速度沿剪切力方向移動(dòng)。在黏性阻力和固定壁面阻力的作用力，使相鄰液層之間出現(xiàn)速度差,γ=dvdy也可理解成一定間距的液層，在一定時(shí)間內(nèi)的相對移動(dòng)距離。15．高分子流變學(xué)：研究高分子液體，主要是指高分子熔體干分子溶液在流動(dòng)狀態(tài)下的非線性粘彈性行為。以及這種行為與材料結(jié)構(gòu)及其他物理化學(xué)的關(guān)系。16．出膨脹現(xiàn)象：高分子熔體被迫基礎(chǔ)口模時(shí)，擠出物尺寸大于口模尺寸截面積形象黃也發(fā)生變化的現(xiàn)象【簡答題】1.常用的聚合物流變儀有：毛細(xì)管型流變儀、轉(zhuǎn)子型流變儀、組合式轉(zhuǎn)矩流變儀、振蕩型流變儀、落球式黏度計(jì)、其他類型流變儀（拉伸流變儀、縫模流變儀和彎管流變儀等）2.流變測量的目的：（1）物料的流變學(xué)表征。（2）工程的流變學(xué)研究和設(shè)計(jì)。（3）檢驗(yàn)和指導(dǎo)流變本構(gòu)方程理論的發(fā)展。3.高聚物的粘性流動(dòng)的特點(diǎn)：1.流動(dòng)機(jī)理是鏈段相繼躍遷2.流動(dòng)粘度大，流動(dòng)困難，而且粘度不是一個(gè)常數(shù)3.流動(dòng)時(shí)有構(gòu)象變化，產(chǎn)生“彈性記憶”效應(yīng)4.影響擠出脹大效應(yīng)的因素：鏈結(jié)構(gòu)、配方、切變速率與溫度穩(wěn)定擠出的措施：(1)加料口供料速度必須均勻.（2）減少螺槽深度h和減少機(jī)筒與螺桿突棱的間隙δ.（3）調(diào)節(jié)機(jī)頭流通系（4）適當(dāng)降低擠出溫度（5）適當(dāng)增加螺桿長度5.影響熔體擠出破裂行為因素：一是口模的形狀和尺寸；二是擠出成型過程的工藝條件；三是擠出物料的性質(zhì)。6．牛頓流體包括那些類型？（1）賓漢流體（2）假塑性流體（3）脹流形流體（4）觸變體（5）震凝體7．什么是可恢復(fù)形變量，它是描述材料什么效應(yīng)的物理量？可恢復(fù)性變量表征著液體在形變過程中儲(chǔ)存彈性能的大小Sr=Je·σwJe為穩(wěn)態(tài)彈性柔量σw為相應(yīng)的器壁剪切應(yīng)力描述材料的粘性和彈性效應(yīng)8．分子量大的材料其性能指標(biāo)往往越高，為什么實(shí)際生產(chǎn)中卻要適當(dāng)控制分子量？因?yàn)樵谏a(chǎn)中分子量過高，會(huì)發(fā)生自動(dòng)加速現(xiàn)象和爆聚現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致聚合物粘度增大，性能下降。還有分子量太大會(huì)導(dǎo)致加工性能降低。入口壓力降產(chǎn)生原因？（1）物料從料口進(jìn)入口模時(shí)，熔體粘滯流動(dòng)流線在入口處產(chǎn)生收斂所引起的能量損失(2)在入口處由于聚合物熔體產(chǎn)生彈性形變，因彈性能的儲(chǔ)蓄所造成的能量消耗(3)熔體流經(jīng)入口處時(shí)，由于剪切速率的劇烈增加而引起速度的激烈變化，為達(dá)到穩(wěn)定的流速分布所造成的壓力降9.轉(zhuǎn)子流變儀的類型？（1）錐一板型流變儀(2)平行版型流變儀(3)同軸圓筒形流變儀9．什么是粘流活化能？聚甲醛與聚碳酸酯粘度隨應(yīng)力的變化有什么區(qū)別？為什么？答：粘流活化能在流動(dòng)過程中交流動(dòng)單元用于克服位壘，由原位置越前到附近空穴所需的最小能量。聚甲醛的粘度變化比聚碳酸酯粘度變化要大，因?yàn)榫奂兹┦侨嵝枣?，聚碳酸酯是剛性鏈，剛性鏈的粘流活化能較高，而柔性連具有較多的纏結(jié)，因而對應(yīng)力更為敏感。10.消除（減輕）熔體破裂現(xiàn)象的措施：（1）適當(dāng)降低分子量，加寬分子量分布；（2）適當(dāng)升高擠出溫度，但應(yīng)防止交聯(lián)、降解。某些情況下如順丁橡膠可利用低溫光滑區(qū)擠出；（3）適當(dāng)降低擠出速度，某些情況下，可利用高速的第二光滑區(qū)；（4）用喇叭型的口型，可提高rcrit，可消除死角；（5）加入填充補(bǔ)強(qiáng)劑和增塑劑。11．什么是剪切變稀，試述高分子流體剪切變稀兩種機(jī)理？答:對大多數(shù)高分子液體而言，即使溫度不發(fā)生變化，粘度也會(huì)隨剪切速率增大而下降，呈現(xiàn)典型的剪切變稀行為。機(jī)理一：高分子構(gòu)象改變，體系流動(dòng)所受到剪切力很小時(shí)，構(gòu)象變換很慢，分子運(yùn)動(dòng)松弛，體系粘度不變，呈現(xiàn)牛頓流體特點(diǎn)。當(dāng)剪切應(yīng)力或剪切速率較大時(shí)大分子鏈發(fā)生取向，構(gòu)象發(fā)生明顯變化，體系沒有足夠時(shí)間松弛取向的大分子見相對流動(dòng)阻力減小，體系黏度下降，發(fā)生剪切變稀的假塑性現(xiàn)象。機(jī)理二:類似香蕉液體理論，無規(guī)線團(tuán)的柔性分子扭曲成幾何纏結(jié)，大分子鏈之間纏結(jié)與分子熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，再確定外部條件下，纏結(jié)點(diǎn)的形成速率與破壞速率相等，一次網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)纏結(jié)點(diǎn)密度大致處于動(dòng)態(tài)平衡過程，外部條件如剪切應(yīng)力變大，就會(huì)導(dǎo)致纏結(jié)點(diǎn)的破壞速率大于形成速率，是體系內(nèi)平均纏結(jié)點(diǎn)密度下降，出現(xiàn)剪切變稀現(xiàn)象。12．什么是韋森堡效應(yīng)?原因？答：與牛頓流體不同，盛在容器的高分子液體，當(dāng)插入其中的圓棒旋轉(zhuǎn)時(shí)，沒有因慣性甩向容器壁附近，反而繞在旋轉(zhuǎn)棒上，出現(xiàn)向上爬的爬竿現(xiàn)象。原因是：高分子液體是一種有彈性的液體，旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的具有彈性的高分子鏈，令其延圓周方向全下個(gè)出現(xiàn)拉伸變形，產(chǎn)生常州新的壓力迫使液體爬升。13.什么是熔體破裂現(xiàn)象？LDPE與HDPE熔體破裂有什么區(qū)別？造成這種現(xiàn)象的原因是什么？答：（1）高分子熔體從口模中擠出時(shí)，當(dāng)速度過高，超過某一臨界剪切速度時(shí)，容易出現(xiàn)彈性流湍，導(dǎo)致流動(dòng)不穩(wěn)定，擠出物表面粗糙，隨擠出速度增大，可能出現(xiàn)波浪形，鯊魚皮形，竹節(jié)形，螺旋形畸變，最后導(dǎo)致不規(guī)則的擠出物斷裂，稱為熔體破裂現(xiàn)象。（2）LDPE:破裂特征是先呈現(xiàn)粗糙表面，當(dāng)擠出γ超出臨界剪切速率發(fā)生熔體破裂時(shí)，呈現(xiàn)無規(guī)破裂狀。HDPE:熔體破裂的特征是先呈現(xiàn)粗糙表面，而后隨著γ的提高逐步出現(xiàn)有規(guī)則畸變?nèi)缰窆?jié)狀螺旋形畸變等，γ很高時(shí)出現(xiàn)無規(guī)則破裂。(3)原因：LDPE為支鏈和大側(cè)基聚合物，而HDPE為線型分子聚合物。LDPE其應(yīng)力主要集中在口模入口處，且入口處的流線呈典型喇叭形收縮，在口模死角處出現(xiàn)環(huán)流或渦流,HDPE其流動(dòng)時(shí)的應(yīng)力集中效應(yīng)主要不在口模入口處，而是發(fā)生在口模內(nèi)壁附近，口模入口區(qū)不村子死角環(huán)流。14．分子無管虹吸現(xiàn)象形成的原因？答：與高分子液體的彈性行為有關(guān)，這種高分子的彈性性質(zhì)使之容易產(chǎn)生拉伸流動(dòng)，而且拉伸液體的表面相當(dāng)穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)證明高分子濃溶液和熔體都具有這種性質(zhì)，因而能產(chǎn)生穩(wěn)定的拉伸變形，具有良好的紡絲和成膜能力15．什么是空壓誤差?形成原因？答：測量流體內(nèi)壓力時(shí)，若壓力傳感器端面安裝低于流道壁面，形成凹槽，則測得高分子液體內(nèi)壓力低于壓力傳感器端面與流道壁面相平行時(shí)的壓力，這種壓力誤差稱為空壓誤差。原因：槽附近流線發(fā)生彎曲但法向應(yīng)力差效應(yīng)使流線伸直作用，于是產(chǎn)生了背向凹槽的力。16．什么是零切粘度表現(xiàn)粘度微分粘度法向應(yīng)力差。表現(xiàn)粘度：與牛頓粘度定義相類比，將牛頓流體的粘度定義為剪切應(yīng)力與剪切速率之比，即ηa=σ（γ）/dγ。微分粘度：ηc=dσ（γ）/dγ，它等于過曲線上一點(diǎn)切線的斜率。第一法向量差：沿流動(dòng)方向的壓力與垂直流動(dòng)方向壓力之差N1=σ11—σ22.第二法向應(yīng)力差：N2=σ22—σ3317．兩相高分子共混體系的分散體系的分散形態(tài)主要包括哪兩種類型，其特征是什么？一相為連續(xù)相，一項(xiàng)為分散相特征:分散相以不同的形狀大小分布在連續(xù)相中，而究竟哪一相為連續(xù)相，哪一項(xiàng)為分散相，既取決于兩相的體積比·粘度比·彈性比及界面張力，還取決于共混設(shè)備和共混條件；一般混溶性較好，分散相相疇較小，分散越均勻，兩相界面越模糊，表明兩相之間形成穩(wěn)定的界面層，兩相的結(jié)合能力較強(qiáng)。（2）兩相均為連續(xù)相，形成交錯(cuò)行網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，此時(shí)兩相互相貫穿，均連續(xù)性的充滿全部試樣，分不清哪個(gè)是分散相，哪個(gè)是連續(xù)相?；ハ嘭灤┏潭热Q于兩相的混溶性，一般混溶性越好，亮相相互作用越強(qiáng)，兩相互鎖結(jié)構(gòu)的相疇越小18．SBS熱塑性彈體，低溫E1=6.8Kcal/mol，高溫E2=2.4Kcal/mol，為什么？原因是在低溫區(qū)，軟段二烯相（PB）先生流動(dòng)，由于苯乙烯嵌段尚被凍結(jié)，其較大的區(qū)域牽制作用，故流動(dòng)活化能較高，到高溫區(qū)PS、PB嵌段均能順利運(yùn)動(dòng)，此時(shí)P的粘流活化能較低。另外在Tf以下、Tg以上范圍內(nèi)，共混物粘度不再遵循WLF方程。毛細(xì)管流變儀原理：根據(jù)測量原理的不同，毛細(xì)管流變儀分為恒速型和恒壓型兩類，恒速型儀器預(yù)置柱塞下壓速度為恒定，待測定的量為毛細(xì)管兩端壓差，恒壓型儀器預(yù)置柱塞前進(jìn)壓力為恒定，待測量為物料的擠出速度即流量。毛細(xì)管流變儀主要優(yōu)點(diǎn)：（1）操作簡單，測量準(zhǔn)確，測量范圍廣（2）毛細(xì)管中物料的流動(dòng)與某些加工成型過程中物料流動(dòng)形式相仿，因而具有實(shí)用價(jià)值；（3）不僅可測量物料的剪切粘度，還可通過對擠出行為的研究，討論物料的彈性行為。缺點(diǎn)：（1）τ、r隨毛細(xì)管半徑而變；（2）不能測定與時(shí)間相關(guān)的粘彈特性；（3）存在較多誤差，精度不高。毛細(xì)管流變儀應(yīng)用：（１）聚合物剪切粘度的究（２）聚合物熔體彈性的研究轉(zhuǎn)矩流變儀基本結(jié)構(gòu)與原理：（1）流變儀主體、混合測量裝置、電控儀表系統(tǒng)（2）：采用混合器測試時(shí)，高聚物以粒子或粉末的形式自加料口加入到密閉混煉室中，物料受到上頂栓的壓力，并且通過轉(zhuǎn)子表面與混合室壁之間的剪切、攪拌、擠壓，轉(zhuǎn)子之間的捏合、撕扯，轉(zhuǎn)子軸向翻搗、捏