《流變學(xué)》第三章PART1-2.ppt

1、第三章聚合物基本流變特性，彈性：線性彈性非線性彈性粘度：線性粘彈性非線性粘彈性：線性粘彈性非線性粘彈性，本構(gòu)方程，線性彈性，鉤定律和彈性常數(shù)，鉤定律表明施加力時(shí)應(yīng)力和應(yīng)變之間存在線性關(guān)系，因此線性彈性也稱為鉤彈性：=c (c)，在簡單的實(shí)驗(yàn)中，材料彈性常數(shù)，彈性，線性彈性變形的特征：1 .小變形：僅包括聚合物的化學(xué)鍵拉伸、鍵角度更改和鍵旋轉(zhuǎn)。因此，變形量非常小，變形不包括鏈段的運(yùn)動(dòng)或整個(gè)分子鏈的位移。2.變形沒有時(shí)間依賴性：變形瞬間發(fā)生，不隨時(shí)間變化。3.變形在外力移除后完全恢復(fù)。變形完全恢復(fù)，瞬間完成，沒有時(shí)間依賴性。4.沒有能量損失：存儲外力變形時(shí)轉(zhuǎn)化為材料的內(nèi)部能量，釋放外力后釋放內(nèi)部能

2、量，材料完全恢復(fù)，在整個(gè)變形和恢復(fù)過程中沒有能量損失。因此，線性彈性也稱為能量彈性。5.必須與應(yīng)力呈線性關(guān)系。=E，假定材料樣例具有瞬時(shí)應(yīng)力，然后保持不變，在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)消除應(yīng)力，并觀察線性彈性的特性。楊氏模量，聚合物的楊氏模量，1 .楊氏模量頻譜，楊氏模量范圍大(室溫)，用途廣，模塊化可能會有3-4數(shù)量級差異。玻璃高聚物的楊氏模量103-105MPa數(shù)量級、橡膠和粘彈體的模塊0.1-1MPa。2 .聚合物楊氏模量和溫度關(guān)系(拉伸系數(shù))、線型聚合物、交叉聚合物拉伸系數(shù)和溫度關(guān)系的差異：交叉聚合物沒有在高溫下粘合，不會流動(dòng)，溫度大于分解溫度時(shí)分解，橡膠平臺隨著溫度的升高略有增加。原因：區(qū)別在于，當(dāng)

3、交叉聚合物的交叉結(jié)構(gòu)溫度升高時(shí)，分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)加劇，收縮力增大，由于交叉點(diǎn)的限制，彈性變形減小。結(jié)晶度線性聚合物和線型聚合物的區(qū)別在于橡膠平臺大，平臺系數(shù)高。原因：微晶晶格能的限制，提高了橡膠抵抗外力變形的能力。3 .楊氏模量分子量依賴：特性：分子量增加，橡膠平臺擴(kuò)大，平臺模塊數(shù)量級無變化。玻璃化溫度保持不變。原因：a .分子量上升，分子相互糾纏的概率增加，物理交聯(lián)點(diǎn)增加，平臺擴(kuò)大。b .分子量上升、分子間相互作用力增加、聚合物的粘流溫度增加、平臺寬度增加。4 .相交度對拉伸模塊量的影響，特征：相交度增加，玻璃化溫度升高，平臺系數(shù)上升，相交度上升到網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時(shí)，E幾乎不變地分解，直到超過分解溫度

4、。原因：相交度增加，相鄰交點(diǎn)的分子鏈長度縮短，分子鏈的鏈段活動(dòng)受交點(diǎn)限制，5 .結(jié)晶度的影響，特征：隨著結(jié)晶度的提高，橡膠平臺的系數(shù)上升，Tg不受結(jié)晶度的影響。原因：晶體的晶格起到交聯(lián)作用，線彈性的適用范圍限制條件：變形極小時(shí)，以下材料符合線彈性理論。非共聚物：陶瓷、金屬、晶體、玻璃狀態(tài)材料適用于線彈性模型。聚合物：低于玻璃狀態(tài)溫度的聚合物：交聯(lián)聚合物：由于分子的交聯(lián)，即使溫度遠(yuǎn)高于玻璃化溫度Tg，線性彈性模型的條件范圍也比其他任何符合線性彈性的聚合物大。但是在時(shí)間長的實(shí)驗(yàn)中，會出現(xiàn)粘彈性，變形大的時(shí)候會出現(xiàn)非線性彈性。線型和遲滯聚合物：如果溫度遠(yuǎn)高于Tg，則在各向同性壓縮時(shí)符合線彈性，在拉伸

5、、剪切等情況下會產(chǎn)生線性粘度、粘性等。幾乎所有聚合物在受瞬時(shí)應(yīng)力作用時(shí)都符合線彈性。牙齒瞬間的長度取決于聚合物的種類和環(huán)境等。聚合物的體積模量，1 .高于Tg和Tm時(shí)聚合物的體積模量：體積模量數(shù)字僅在數(shù)量級內(nèi)正確。低于Tg和高于Tg的體積模量差異不大，最高為2倍。與其他系數(shù)相比，體積模量變化要小得多。3結(jié)晶聚合物的體積模量結(jié)晶聚合物類似于體積模量和無定形聚合物，并且隨著結(jié)晶度的提高體積模量增加。4.偏離線彈性：壓力高時(shí)發(fā)生非線性彈性。2.玻璃狀態(tài)下的無定型聚合物的體積模量：非線性彈性-橡膠彈性，概念：外力的大變形，消除外力后變形可以恢復(fù)的彈性材料。與線彈性瞬間恢復(fù)不同，橡膠變形恢復(fù)不是瞬間，而

6、是需要時(shí)間。橡膠是一種輕型交叉聚合物，可以用一種稱為非線性彈性(橡膠彈性)的數(shù)學(xué)模式來描述。1 .形狀變量大：橡膠分子柔韌性好。玻璃化溫度比室溫低得多，因此室溫下處于高彈狀態(tài)，鏈條段可以在大范圍內(nèi)移動(dòng)，拉伸時(shí)延伸率可達(dá)1000%。橡膠彈性的特點(diǎn)，2 .變形完全可以恢復(fù)。在橡膠分子間相互雜交轉(zhuǎn)化時(shí)，分子鏈向外部立場的方向延伸，分子鏈從無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行驙顟B(tài)。從熱力學(xué)的角度來看，熵減少。消除應(yīng)力后，交叉耦合恢復(fù)到無序狀態(tài)，變形完全恢復(fù)。與線性彈性瞬時(shí)恢復(fù)不同，橡膠變形恢復(fù)不是瞬時(shí)的，而是需要時(shí)間的。3 .時(shí)間依賴性：橡膠受到外力時(shí)，變形會隨著時(shí)間發(fā)展，但不會無限制地增加，而是接近平衡值，即平衡應(yīng)變

7、E。橡膠變形是由分子鏈分段運(yùn)動(dòng)完成的，整個(gè)分子鏈從一個(gè)平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)換到適合外力的平衡狀態(tài)，牙齒過程需要一些時(shí)間。姜潮：在名為非線性彈性的流變模型中，討論了平衡應(yīng)力變形關(guān)系，它們不再具有時(shí)間依賴性。在非線性彈性中不考慮橡膠變形的時(shí)間依賴性，在名為線性彈性的模型中進(jìn)行了討論。4 .小變形與線性彈性一致。小變形與線性彈性一致，但其系數(shù)很低。0.1-1MPa數(shù)量級，比玻璃聚合物低3-4數(shù)量級。該體積模量仍然為103-104MPa，即KG，泊松比=(3K-2G)/(6K 2G)=0.5。5.變形時(shí)熱效應(yīng)：橡膠樣品快速拉伸(絕熱拉伸)，樣品溫度升高。這種熱效應(yīng)不太強(qiáng)，但隨著腎臟度的增加而增加。6.隨著溫度的

8、升高，楊氏模量增加：溫度升高，分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，收縮力增大，彈性變形能力變小，溫度升高，楊氏模量增加。橡膠彈性的現(xiàn)象理論，橡膠彈性的現(xiàn)象理論沒有提到在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中建立描述橡膠一般特性的數(shù)學(xué)表達(dá)，其主要目標(biāo)不是尋找解釋橡膠特性的便捷方法，而是提供了相應(yīng)物理或分子意義的說明或說明。唯物論：全學(xué)三唯物論是不知道原因的科學(xué)理論。楊振寧將物理學(xué)分為實(shí)驗(yàn)、大象理論和理論結(jié)構(gòu)三種茄子途徑。大象理論比實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更一般的概括和精煉，但不能用現(xiàn)有的科學(xué)理論體系來解釋。大象理論被稱為轉(zhuǎn)科學(xué)。因?yàn)樗鼈円部梢酝ㄟ^實(shí)踐證明。理論架構(gòu)比現(xiàn)象理論更基礎(chǔ)，可以用數(shù)學(xué)和現(xiàn)有的科學(xué)系統(tǒng)來解釋。2 .Mooney-Rivlin理論：根

9、據(jù)一般理論，對于任意變形的物體，無論變形的性質(zhì)或變形多么復(fù)雜，變形物體的任何點(diǎn)上的變形儲能函數(shù)W3360，1。變形和應(yīng)力：，橡膠彈性中應(yīng)力和變形的關(guān)系是非線性的。在共線較小的情況下，某些非線性理論認(rèn)為應(yīng)力和變形的關(guān)系是二次或三次方程。但是橡膠彈性也不適合這種關(guān)系。Mooney說明了彈性現(xiàn)象理論：兩個(gè)茄子假設(shè)：a .橡膠不可壓縮且不變形時(shí)保持各向同性B。簡單剪切變形的狀態(tài)方程可以用胡克定律來解釋。Rivlin發(fā)展牙齒理論。無需對應(yīng)力變形關(guān)系進(jìn)行任何假設(shè)，即可獲得非線性彈性的應(yīng)力變形關(guān)系。Mooney-Rivlin現(xiàn)象理論：使用w系列擴(kuò)展的前兩個(gè)處理，3。Mooney-Rivlin理論的應(yīng)用：a

10、.拉伸：1，=1，f/說明：對橡膠進(jìn)行非線性簡單剪切時(shí)，僅應(yīng)用切向應(yīng)力txy和tyx是不夠的，必須在三個(gè)茄子法向方向上進(jìn)一步應(yīng)用法向應(yīng)力以保持橡膠的變形。否則，法線上也會發(fā)生變形。牙齒效果稱為法向應(yīng)力效果。非線性彈性理論的適用范圍：彈性變形大的聚合物體系。a .部分交聯(lián)聚合物：如橡膠材料。交聯(lián)不一定意味著化學(xué)交聯(lián)，也包括由于其他原因大分子緊密結(jié)合在一起。例如，當(dāng)溫度在共聚物組成中的兩種聚合物的Tg之間時(shí)，會發(fā)生嵌段共聚物。b .膨脹的聚合物：由交聯(lián)聚合物和吸收的溶劑組成的雙組成體系引起了大的彈性變形。Mooney-Rivlin理論僅適用于平衡狀態(tài)的變形。也就是說，必須是f或平衡狀態(tài)，并且不隨時(shí)

11、間變化。粘性，線性粘性流體常被稱為牛頓流體：流體的應(yīng)力與剪切速度成正比，是線性關(guān)系。穩(wěn)定簡單的剪切流，特征：1。理性的模型。流體在兩個(gè)平行板塊之間流動(dòng)。3.與上層板接觸的流體層和板以相同的速度最快。4.與底板接觸的流體層速度為零。線性粘性流體在各向同性壓力下平衡。此外，當(dāng)它暴露在任何其他力量下時(shí)，他會失去平衡，發(fā)生流動(dòng)。線性粘性，所謂的簡單剪切流，即流體內(nèi)所有坐標(biāo)都為Y的流體運(yùn)動(dòng)的速度與坐標(biāo)Y:成正比。與頂板接觸的一層流體速度與流體的高度成正比。因?yàn)椋簐=u/t，非凈流：速度不是坐標(biāo)Y的線性函數(shù)牙齒，所以定義：邊界條件：大量實(shí)驗(yàn)證明了牙齒邊界條件牙齒正確，除了非常異常的情況。因此，在上述說明中

12、，在y=0時(shí)流體被視為靜止，在y=h時(shí)流體速度被視為VMAX。牛頓定律，定義為：應(yīng)力和剪切速率比例，常數(shù)，粘度，流體流動(dòng)阻力的大小。單位：有時(shí)使用/作為粘度單位以及波(P)、國際單位1秒牛頓/米2(Pas)。這稱為動(dòng)力學(xué)粘度。牛頓流體模型功能：復(fù)蓋范圍窄。大部分流體是鄭智薰牛頓流體。線性粘性變形的特征是假設(shè)將應(yīng)力0瞬間應(yīng)用于流體樣品，然后保持不變，然后在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)消除應(yīng)力。1 .變形的時(shí)間依賴性：流體的變形是隨時(shí)間演化的時(shí)間依賴性。2.流體變形不可恢復(fù)：永久變形，外力移除后變形保持不變(完全不恢復(fù))。聚合物熔體的流動(dòng)與分子鏈之間的相對滑動(dòng)有關(guān)。當(dāng)然，牙齒變形是不可逆的。3.能量分散：外力對流體

13、的作用從流動(dòng)轉(zhuǎn)化為熱能而損失，這與彈性過程的儲存能量相反。4.比例：應(yīng)力與應(yīng)變速率成比例，粘度與應(yīng)變速率無關(guān)。粘度測量流：用于測量流體粘度的流方法。管內(nèi)流體的穩(wěn)定層流：通過測量一管內(nèi)流動(dòng)的流動(dòng)來測量流體的粘度是一種常用方法。假定流量穩(wěn)定。也就是說，流中每個(gè)粒子的流動(dòng)速度不會隨時(shí)間變化。層流是流體僅沿z軸方向流動(dòng)，不沿r或方向流動(dòng)的流。Vr=V=0 Vz=Vz(r)，Vz是粒子距管狀體軸的距離r的函數(shù)。據(jù)邊界條件說，與管子接觸的流體層是靜態(tài)的。Vz(R)=0，非線性粘性(非牛頓流體)，非牛頓流體：與牛頓流體構(gòu)造關(guān)系不匹配的粘性流體。非牛頓型流體是高分子液體所屬的大類實(shí)際流體的總稱。一般來說，流動(dòng)

14、性能是牛頓定律無法解釋的流體統(tǒng)稱為非牛頓型流體。聚合物流體剪切粘度、聚合物流體的流動(dòng)行為比較復(fù)雜，顯示了典型聚合物熔體的流動(dòng)曲線。正如曲線所示，剪切應(yīng)力21和剪切率不能始終保持線性比例關(guān)系。聚合物流體的表觀剪切粘度：曲線上的一點(diǎn)等于與坐標(biāo)原點(diǎn)連接的斜率。表觀粘度的含義不是實(shí)際測量材料不可逆轉(zhuǎn)變形的難易程度，而是材料經(jīng)歷的不可逆轉(zhuǎn)粘性流和可逆彈性變形相加所反映的剪切應(yīng)力和剪切速率的比率，小于材料的實(shí)際粘度值。聚合物流體的微分粘度或濃度在同一聚合物流體流動(dòng)曲線上，可以定義為微分粘度或濃度。這等于通過曲線上一點(diǎn)的切線的斜率。顯然，根據(jù)習(xí)慣和習(xí)慣，C和A的單位也取Pa.s。零剪切粘度：熔化狀態(tài)的聚合物

15、，就像柔軟而糾纏的線球。每個(gè)分子鏈都在努力蠕動(dòng)，但由于分子鏈和鏈之間的糾纏，它們有效地保持了彼此結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。(David aser，Northern Exposure(美國電視電視劇)，分子名言)因此，早期的小剪切力無法超越結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)仍然具有高粘度，和牛頓流體一樣，“零剪切粘度”(粘度不隨剪切速率變化)，第一和第二法向應(yīng)力差函數(shù)，定義：剪切流場中的聚合物液體不僅顯示粘性，還顯示奇怪的彈性行為，具有法向應(yīng)力差效應(yīng)。根據(jù)第一、第二法向應(yīng)力差函數(shù)N1，N2，第一和第二法向應(yīng)力差系數(shù)，單位為Pa.s2，法向應(yīng)力差效果在牛頓流體內(nèi)不可見。粘性流體流動(dòng)時(shí)彈性運(yùn)動(dòng)的主要表示，通常是剪切速度的函數(shù)。聚合物

16、液體的法向應(yīng)力差隨剪切速率變化規(guī)律。主要特征是第一法向應(yīng)力差N1牙齒通常為正，隨剪切率的增加而增加，第二法向應(yīng)力差N2為負(fù)，絕對值比N1小得多。聚合物液體法向應(yīng)力差的主要特征是聚合物液體的第一法向應(yīng)力差系數(shù)，聚合物液體的第一法向應(yīng)力差系數(shù)1牙齒剪切速度的變化規(guī)律。剪切率很小，1傾向于固定值10。剪切率增加時(shí)，第一個(gè)法向應(yīng)力差系數(shù)1牙齒剪切率增加時(shí)，剪切率減小。第一個(gè)法向應(yīng)力差遠(yuǎn)大于第二個(gè)法向應(yīng)力差系數(shù)，并且容易測量第一個(gè)法向應(yīng)力差系數(shù)，因此通常在表征聚合物應(yīng)力狀態(tài)時(shí)表示為第一個(gè)法向應(yīng)力差。法向應(yīng)力差異的原因，法向應(yīng)力差異是聚合物材料彈性的主要表現(xiàn)法。彈性是由鏈段的方向引起的，大分子間的糾纏大大有助于變形時(shí)鏈段的彈性恢復(fù)。Weissenberg效果、法向應(yīng)力差的影響、拉伸膨脹、定義：通過測量拉伸流場中的拉伸速度和拉伸應(yīng)力，可以定義拉伸粘度函數(shù)。我們考慮正常狀態(tài)1軸拉伸。也就是說，拉伸速度E是常量值。將X1方向設(shè)定為拔模方向，系統(tǒng)的正常狀態(tài)單軸拔模粘度定義為：類型中T11為拔模方向上的總法向應(yīng)力，拉伸粘度函數(shù)，其他液體拔模粘度的特征：粘度固定的流體，拉伸粘度也稱為Trouton粘度，T，與剪切粘