毛細管流變儀原理介紹全

毛細管流變儀原理介紹全第一頁，共58頁。1毛細管流變儀原理介紹全5/9/2024主要內(nèi)容基本概念流變學(xué)定義（Definitionofrheology）剪切流動（Shear）拉伸流動（Extensional）第二頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全25/9/2024流變學(xué)-Rheology流變學(xué)是研究材料流動與變形的學(xué)科“thescienceofdeformationandflow”Rheology:rheo(toflow)+logos(science)第三頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全35/9/2024流變學(xué)

流變學(xué)是力學(xué)中一門較新的分支學(xué)科，它主要研究各種材料在應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、濕度、輻射等條件中與時間有關(guān)的變形和流動的規(guī)律。研究方法主要有宏觀與微觀兩種：

宏觀法即經(jīng)典的唯象研究方法，是將聚合物看作由連續(xù)質(zhì)點組成，材料性能是位置的連續(xù)函數(shù)，研究材料的性能是從建立粘彈模型出發(fā),進行應(yīng)力-應(yīng)變或應(yīng)變速率分析。微觀法即分子流變學(xué)方法，是從分子運動的角度出發(fā)，對材料的力學(xué)行為和分子運動過程進行相互關(guān)聯(lián)，提出材料結(jié)構(gòu)與宏觀流變行為的聯(lián)系。(珠簧相空間理論、分子網(wǎng)絡(luò)理論、蛇行管理論）第四頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全45/9/2024領(lǐng)域聚合物

–我們需要理解熔體流動性能，從而設(shè)計模具等食品

–良好的外觀、質(zhì)地和加工特性涂料–儲存壽命和表面流平性能墨水–打印清晰度和準確計量醫(yī)藥–正確的配方定量，沉降性能等還有：泥漿、鉆井液、瀝青、橡膠等第五頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全55/9/2024聚合物加工實例第六頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全65/9/2024非牛頓流體流變學(xué)研究對象：

包括非牛頓流體、粘彈性固體和流體與固體之間的物質(zhì)（如懸浮體）。對于高分子來說，絕大多數(shù)的成型加工都是熔融狀態(tài)下進行的，特別是熱塑性塑料加工。因此，高聚物在粘流溫度下的流動性和彈性，是其成型加工的首要性能。非牛頓流體定義：凡不服從牛頓粘性定律的流體稱為非牛頓流體。即：在一定溫度下，流體剪切應(yīng)力與剪切速率不成正比的線性關(guān)系，其粘度不是常數(shù)，而是隨剪切應(yīng)力或剪切速率而變化的非牛頓粘度η。第七頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全75/9/2024剪切形變-流變學(xué)基本定義剪切應(yīng)力（Shearstress,σ）單位面積所受的剪切力剪切應(yīng)變（Shearstrain,γ）剪切形變除以高度剪切（應(yīng)變）速率（Shearrate,γ

）剪切應(yīng)變的快慢剪切粘度（Shearviscosity,η）剪切應(yīng)力除以剪切速率.第八頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全85/9/2024解釋:應(yīng)力：單位面積上的力

(多少)應(yīng)變：相對樣品尺寸上的變形幅度

(多大)剪切速率：隨時間應(yīng)變的變化率(多快)剪切粘度：在一定的條件下熔體是否容易流動第九頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全95/9/2024基本概念-剪切adbA假設(shè)一個立方體的長寬高分別為a，b，d。面積A=ab

高=d第十頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全105/9/2024基本概念-剪切應(yīng)力（Shearstress）單位面積所受的剪切力（Theappliedforceperunitarea）1N/m2=1Pa剪切應(yīng)力Pa第十一頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全115/9/2024基本概念-剪切應(yīng)變（Shearstrain）剪切應(yīng)變（Shearstrain）被簡稱為應(yīng)變（Strain），剪切時物體所產(chǎn)生的相對形變量無量綱，常常用%表示剪切應(yīng)變無量綱第十二頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全125/9/2024基本概念-剪切速率（Shearrate）剪切應(yīng)變速率（Shearstrainrate）或者剪切速率（Shearrate），表示剪切應(yīng)變快慢單位s-1剪切速率S-1第十三頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全135/9/2024剪切粘度(Shearviscosity)粘度就是流動的阻力粘度越大，越難流動（蜂蜜，酸奶等）粘度越小，越容易流動（水等）剪切粘度=剪切應(yīng)力（施加外力）剪切速率（運動速度）Pa.s單位（Unit）PascalsecondPa.s(SI)PoiseP(CGS)1Pa.s=10P,1mPa.s=1cP第十四頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全145/9/2024影響聚合物加工的流變性能主有：

*聚合物的流動性

*彈性

*斷裂特性第十五頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全155/9/2024高分子材料流動性特點粘度大流動性差：這是因為高分子鏈的流動是通過鏈段的相繼位移來實現(xiàn)分子鏈的整體遷移，類似蚯蚓的蠕動。不符合流動規(guī)律：在流動的過程中粘度隨剪切速率的增加而下降。熔體流動時伴隨高彈形變：因為在外力作用下，高分子鏈沿著外力作用發(fā)生伸展，當外力消失后，分子鏈又由伸展變?yōu)榫砬剐巫儾糠只謴?fù)，表現(xiàn)出彈性行為。第十六頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全165/9/2024高聚物流體的非牛頓性高聚物流體彈性：分子鏈構(gòu)象不斷變化{分子鏈構(gòu)象的變化粘性：流動中分子鏈相對運動第十七頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全175/9/2024流動性

以粘度的倒數(shù)表示流動性。按作用方式的不同,流動可分為剪切流動和拉伸流動,相應(yīng)地有剪切粘度和拉伸粘度。前者為切應(yīng)力與切變速率之比；后者為拉伸應(yīng)力與拉伸應(yīng)變速度之比。聚合物的結(jié)構(gòu)不同，流動性（或粘度）就不同。對于聚合物熔體，大多數(shù)是屬于假塑性液體,其剪切粘度隨剪切應(yīng)力的增加而降低,同時測試條件（溫度、壓力）、分子參數(shù)（分子量及其分布、支化度等）和添加劑(填料、增塑劑、潤滑劑等)等因素對剪切粘度-剪切應(yīng)力曲線的移動方向均有影響。對于拉伸粘度，當應(yīng)變速率很低時，單向拉伸的拉伸粘度約為剪切粘度的3倍，而雙向相等的拉伸，其拉伸粘度約為剪切粘度的6倍。拉伸粘度隨拉伸應(yīng)力增大而增大,即使在某些情況下有所下降，其下降的幅度遠較剪切粘度的小。因此，在大的應(yīng)力作用下，拉伸粘度往往要比剪切粘度大一二個數(shù)量級，這可使化學(xué)纖維紡絲過程更為容易和穩(wěn)定。第十八頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全185/9/2024粘度的影響因素材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（材料配方、顆粒大小、顆粒分布、分子量等）溫度（一般來說，溫度越高，粘度越低）剪切速率（或者拉伸速率）時間（觸變性）壓力第十九頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全195/9/2024典型的流動曲線（Flowbehavior）ShearRate

e.g.硅油,懸浮液StressShearRate牛頓流體假塑性流體脹塑性流體StressShearRateStressShearRateViscosityViscosityShearRateViscosityShearRatee.g.聚合物熔體e.g.PVC糊等剪切變稀剪切增稠第二十頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全205/9/2024流動曲線ViscosityFlowCurves施加不同的剪切速率，剪切速率和剪切粘度關(guān)系圖為Log

.大部分樣品，特別是聚合物具有這種特性實際上，對于聚合物，經(jīng)常測量的范圍是剪切變稀區(qū)域Log

零剪切平臺剪切變稀/指數(shù)定律區(qū)域第二牛頓平臺第二十一頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全215/9/2024高分子材料對剪切速率產(chǎn)生依賴性的原因Log

Log

分子纏結(jié)纏結(jié)速度=解纏結(jié)速度纏結(jié)速度<解纏接速度分子鏈遭到破壞，無纏結(jié)纏結(jié)速度=解纏結(jié)速度第二十二頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全225/9/2024流動類型分類根據(jù)粘性流體在流動中的形變模式分：剪切流動、拉伸流動剪切流動：層與層之間有速度梯度，速度梯度的方向與流動方向垂直稱為橫向速度梯度剪切流動按照流動邊界條件分a.庫愛特流動或拖液流動：由運動邊界造成的流動（高聚物熔體在同軸圓筒、平行板或錐板流變儀中均屬此流動）

b.泊肅葉流動：由壓力梯度產(chǎn)生的流動高聚物熔體在毛細管流變儀或熔融指數(shù)儀之類的管道中的流動屬此流動第二十三頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全235/9/2024拉伸流動測試第二十四頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全245/9/2024速度梯度方向平行于流動方向,例:吹塑成型中離開模口后的流動,紡絲中離開噴絲口后的牽伸.流動方向速度梯度的方向

拉伸粘度（

t）:第二十五頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全255/9/2024基本概念-拉伸法向力(NormalForce)拉伸應(yīng)力拉伸應(yīng)變拉伸速率Pa無量綱1/s第二十六頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全265/9/2024

a

tBACB:t與無關(guān):聚合度低的線性高物:POM、PA-66A：

t隨↑而↑,支化聚合物。如支化PEC：

t隨↑而↓,高聚合度PP拉伸粘度與拉伸應(yīng)力的關(guān)系:高拉伸應(yīng)變速率在低拉伸應(yīng)變速率下，熔體服從特魯頓關(guān)系式

拉伸粘度（

t）曲線

E=3

s第二十七頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全275/9/2024從結(jié)構(gòu)變化分析:拉伸流動中會發(fā)生鏈纏結(jié),使拉伸粘度降低,但同時鏈發(fā)生伸展并沿流動方向取向,分子間相互作用增加,流動阻力增加,伸展粘度變大.拉伸粘度取決于這兩個因素哪一個占優(yōu)勢.拉伸粘度與拉伸應(yīng)變速率的關(guān)系第二十八頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全285/9/2024典型的拉伸流動曲線Log

eLoge平臺粘度變小應(yīng)變硬化第二十九頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全295/9/2024原始曲線第三十頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全305/9/2024熔體拉伸測試曲線第三十一頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全315/9/2024彈性由于聚合物流體流動時，伴隨有高彈形變的產(chǎn)生和貯存，故外力除去后會發(fā)生回縮等現(xiàn)象,例如:塑料、橡膠擠出后和纖維紡絲后會發(fā)生斷面尺寸增大而長度縮短的離模膨脹現(xiàn)象，或稱彈性記憶效應(yīng)；攪動時流體會沿桿上升，這種爬桿現(xiàn)象稱韋森堡效應(yīng)或法向應(yīng)力效應(yīng)。此外，聚合物加工時，半成品或成品表面不光滑，出現(xiàn)“橘子皮”和“鯊魚皮”，出現(xiàn)波浪、竹節(jié)、直徑有規(guī)律的脈動、螺旋形畸變甚至支離破碎等影響制品質(zhì)量的熔體破裂和不穩(wěn)定流動等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象主要與熔體彈性有關(guān)。第三十二頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全325/9/2024高分子熔體流動中的彈性效應(yīng)

實驗發(fā)現(xiàn)，幾種粘度相近、分子量分布大致相同的聚乙烯熔體，其加工行為卻有很大差異，分析得知，這些差異主要因為不同熔體的彈性行為（拉伸粘度和法向應(yīng)力差）不同引起的。高分子液體流動時，表現(xiàn)出形形色色的奇異彈性行為。主要有擠出過程中的擠出脹大現(xiàn)象，不穩(wěn)定流動和熔體破裂現(xiàn)象，“爬桿”現(xiàn)象（Weissenberg效應(yīng)），拉伸流動等。高分子液體的彈性屬于熵彈性。在流動過程中，材料的粘性行為和彈性行為交織在一起，使流變性十分復(fù)雜。研究高分子液體的彈性規(guī)律性對高分子材料加工也十分重要。第三十三頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全335/9/2024彈性的研究離模膨脹應(yīng)力松弛入口效應(yīng)熔體破裂第三十四頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全345/9/2024彈性的研究離模膨脹應(yīng)力松弛入口效應(yīng)熔體破裂第三十五頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全355/9/2024擠出脹大現(xiàn)象

擠出脹大現(xiàn)象及其說明擠出脹大現(xiàn)象又稱口型膨脹效應(yīng)或Barus效應(yīng)，是指高分子熔體被強迫擠出口模時，擠出物尺寸大于口模尺寸，截面形狀也發(fā)生變化的現(xiàn)象。對圓型口模，擠出脹大比B定義為：

式中D為口模直徑，為完全松弛的擠出物直徑。第三十六頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全365/9/2024擠出脹大第三十七頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全375/9/2024（1）擠出脹大現(xiàn)象是高分子液體具有彈性的典型表現(xiàn)。從彈性形變角度看，熔體在進入口模前的入口區(qū)受到強烈拉伸作用，發(fā)生彈性形變。這種形變雖然在口模內(nèi)部流動時得到部分松弛，但由于高分子材料的松弛時間一般較長，直到口模出口處仍有部分保留，于是在擠出口模失去約束后，發(fā)生彈性恢復(fù)，使擠出物脹大。

（2）從熵彈性角度考慮，無規(guī)線團狀的大分子鏈在口模入口區(qū)被強烈拉伸，構(gòu)象發(fā)生改變，構(gòu)象熵減少。同樣這種構(gòu)象變化在口模內(nèi)部部分得到松弛，但仍有部分直到擠出口模后才回復(fù)。擠出后的分子鏈回復(fù)到新的無規(guī)線團構(gòu)象，使熵值升高而脹大。

（3）實驗表明，一切影響高分子熔體彈性的因素都對擠出脹大行為有影響。如擠出溫度升高，或擠出速度下降，或體系中加入填料而導(dǎo)致高分子熔體彈性形變減少時，擠出脹大現(xiàn)象明顯減輕。

擠出脹大現(xiàn)象

第三十八頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全385/9/2024

彈性液體則不然，彈性液體流動時，除有剪切應(yīng)力外，作用在三個正交面元上的法向應(yīng)力也不相等，使液體既發(fā)生粘性形變（表現(xiàn)為有粘度，消耗能量），又發(fā)生彈性形變（表現(xiàn)為有法向應(yīng)力差，貯存能量）。定義法向應(yīng)力差函數(shù)，，用以描述液體的彈性。高分子液體發(fā)生“爬桿”現(xiàn)象，正是由于法向應(yīng)力差效應(yīng)引起的。

法向應(yīng)力差效應(yīng)是彈性液體特有的效應(yīng)。純粘性液體流動時，內(nèi)部流體元上所受的應(yīng)力主要在外表面的切線方向，稱剪切應(yīng)力，是一種摩擦力，它引起流體元剪切變形。面元的法線方向雖然也有應(yīng)力（稱法向應(yīng)力，主要為壓力和拉力），但由于液體沒有彈性，不可壓縮，因此三個正交面元上的法向應(yīng)力相等。

法向應(yīng)力差效應(yīng)第三十九頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全395/9/2024彈性的研究離模膨脹應(yīng)力松弛入口效應(yīng)熔體破裂第四十頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全405/9/2024應(yīng)力松弛所謂應(yīng)力松弛，就是在固定的溫度和形變下，聚合物內(nèi)部的應(yīng)力隨時間增加而逐漸衰減的現(xiàn)象。即材料在恒定應(yīng)變下，應(yīng)力隨著時間的變化而減小至某個有限值，這一過程稱為應(yīng)力松弛。這是材料的結(jié)構(gòu)重新調(diào)整的另一種現(xiàn)象。這種現(xiàn)象也在日常生活中能觀察到，例如橡膠松緊帶開始使用時感覺比較緊，用過一段時間后越來越松。也就是說，實現(xiàn)同樣的形變量，所需的力越來越少。未交聯(lián)的橡膠應(yīng)力松弛較快，而且應(yīng)力能完全松弛到零，但交聯(lián)的橡膠，不能完全松弛到零。第四十一頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全415/9/2024應(yīng)力松弛（Stressrelaxation）施加恒定應(yīng)變（形變）觀察應(yīng)力隨時間的變化Time(s)0.001 0.01 0.1 1 10 100Strain%瞬間階躍應(yīng)變 恒定應(yīng)變 101.00.10.010.001第四十二頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全425/9/2024Time(s)0.001 0.01 0.1 1 10 100StressPa施加應(yīng)變 保持恒定應(yīng)變

101.00.10.01粘性材料應(yīng)力衰減瞬間彈性材料–應(yīng)力恒定粘彈性響應(yīng)（Viscous&ElasticReponse）第四十三頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全435/9/2024應(yīng)力松弛的分子機理線形聚合物的應(yīng)力松弛的分子機理如圖所示，拉伸時張力迅速作用使纏繞的分子鏈伸長，但這種伸直的構(gòu)象時不平衡的，由于熱運動分子鏈會重新卷曲，但形變量被固定不變，于是鏈可能解纏結(jié)而轉(zhuǎn)入新的無規(guī)卷曲的平衡態(tài)，于是應(yīng)力松弛為零。交聯(lián)聚合物不能解纏結(jié)，因而應(yīng)力不能松弛到零。1第四十四頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全445/9/2024松弛實驗松弛時間λ：材料開始松弛到剪切應(yīng)力下降至初始值/e所需時間評定時間ΔT：材料開始松弛到測量值與計算值相差超過10％所需時間第四十五頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全455/9/2024應(yīng)用應(yīng)力松弛同樣也有重要的實際意義。成型過程中總離不開應(yīng)力，在固化成制品的過程中應(yīng)力來不及完全松弛，或多或少會被凍結(jié)在制品內(nèi)。這種殘存的內(nèi)應(yīng)力在制品的存放和使用過程中會慢慢發(fā)生松弛，從而引起制品翹曲、變形甚至應(yīng)力開裂。消除的辦法時退火或溶脹（如纖維熱定形時吹入水蒸汽）以加速應(yīng)力松弛過程。第四十六頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全465/9/2024彈性的研究離模膨脹應(yīng)力松弛入口效應(yīng)熔體破裂第四十七頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全475/9/2024毛細管內(nèi)流動P1為柱塞桿對聚合物熔體所施加的壓力P0為大氣壓Pe為出口處的熔體壓力第四十八頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全485/9/2024入口效應(yīng)第四十九頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全495/9/2024測試原理擠出壓力p入口壓力降pen毛細管壓力降pvis出口壓力降pexP=pen+pvis+pex第五十頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全505/9/2024Bagley校正為了從測得的壓差?P準確地求出完全發(fā)展流動區(qū)上的壓力梯度，Bagley于1957年提出了如下修正方法：虛擬的延長毛細管(實際是完全發(fā)展流動區(qū))的長度，將入口區(qū)的壓力降等價在虛擬延長長度上的壓力降，以保證壓力梯度的準確性。記虛擬延長的長度為LB＝e0Re0稱為Bagley修正因子壓力梯度第五十一頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全515/9/2024Bagley校正曲線選擇三根長徑比不同的毛細管，在同一體積流量下，測量壓差?P與長徑比L/D的關(guān)系并作圖，將直線延長與?P軸相交，其縱向截距等于入口壓力降?Pent；繼續(xù)延長與L/D軸相交，其橫向截距等于LB/D=e0/2。第五十二頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全525/9/2024低密度聚乙烯Bagley線性和非線性校正Linearfit:Polynominalfit:第五十三頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全535/9/2024彈性的研究離模膨脹應(yīng)力松弛入口效應(yīng)熔體破裂第五十四頁，共58頁。毛細管流變儀原理介紹全545/9/2024不穩(wěn)定流動和熔體破裂現(xiàn)象

不穩(wěn)定流動的擠出物外觀示意圖實驗表明，高分子熔體從口模擠出時，當擠出速率（或剪切應(yīng)力）超過某一臨界剪切速率（或臨界剪切應(yīng)力），容易出現(xiàn)彈性湍流，導(dǎo)致流動不穩(wěn)定，擠出物表面粗糙。隨擠出速率的增大，可能先后出現(xiàn)波浪形、鯊魚皮形、竹節(jié)形、螺旋形畸變，