高分子熔體粘彈性的認識

1、高分子熔體粘彈性的認識班級：0920741 姓名： 學號：一、 粘彈性的內(nèi)涵定義：任何兼具粘性與彈性并且強烈以來外力作用時間長短與頻率高地的性質(zhì)。聚合物分子收到外力作用時，應(yīng)力落后于應(yīng)變的現(xiàn)象即滯后現(xiàn)象。滯后現(xiàn)象的發(fā)生是由于橡膠分子鏈段在運動時受到內(nèi)摩擦的作用，產(chǎn)生的相位差越大，說明鏈段運動越困難，越是跟不上外力的變化。這種滯后現(xiàn)象使得每一周期變化需要消耗的功，稱為力學損耗，即內(nèi)耗。在宏觀上表現(xiàn)為降低或者減少振幅，即阻尼。材料在拉伸回縮循環(huán)中，發(fā)生滯后現(xiàn)象時，拉伸過程中應(yīng)變達不到與其應(yīng)力相對應(yīng)的平衡值，而回縮時情況正好相反，應(yīng)變大于與其應(yīng)力相對應(yīng)的平衡值。這種情況下，拉伸時外力對高聚物體系做的

2、功，一方面用來改變分子鏈段的構(gòu)象，另一方面用來提供鏈段運動時克服鏈段間內(nèi)摩擦所需要的能量?；乜s時，伸展的分子鏈重新蜷曲起來，高聚物體系對外做功，但是分子鏈回縮時的鏈段運動仍需克服鏈段間的摩擦阻力。這樣，一個拉伸-回縮循環(huán)中，有一部分功被轉(zhuǎn)化為熱能損耗掉。內(nèi)摩擦阻力越大，滯后現(xiàn)象就越嚴重，消耗的功也越大，即內(nèi)耗越大。聚合物具有的這種特性就叫做聚合物的粘彈性。很久以來，流動與形變是術(shù)語兩個范疇的概念，流動是液體材料的屬性，而變形是固體（晶體）材料的屬性。液體流動時，表現(xiàn)出粘性行為，產(chǎn)生永久變形，形變不可恢復(fù)并耗散掉部分能量。而固體變形時，表現(xiàn)出彈性行為，其產(chǎn)生的彈性形變在外力撤銷時能夠恢復(fù)，且產(chǎn)生

3、形變時貯存能量，形變回復(fù)是時還原能量，材料具有彈性記憶效應(yīng)。通常液體流動時遵從牛頓流動定律材料所受的剪切應(yīng)力與剪切速率成正比（=。），且流動過程中總是一個時間過程，只有在一段有限時間內(nèi)才能觀察到材料的流動。而一般固體變形時村從胡克定律材料所受的應(yīng)力與形變量成正比（=），其應(yīng)力、應(yīng)變之間的相應(yīng)為瞬時響應(yīng)。遵從牛頓流動定律的液體成為牛頓流體，遵從胡克定律的固體稱胡克彈性體。聚合物：宏觀力學性能強烈依賴于溫度和外力作用時間 分子運動在外力作用下，高分子材料的性質(zhì)就會介于彈性材料和粘性材料之間，高分子材料產(chǎn)生形變時應(yīng)力可同時依賴于應(yīng)變和應(yīng)變速率。基本概念：理想彈性固體：受到外力作用形變很小，符合胡克定

4、律 sE1e=D1s，E1普彈模量， D1普彈柔量。特點：受外力作用平衡瞬時達到，除去外力應(yīng)變立即恢復(fù)。理想的粘性液體：符合牛頓流體的流動定律的流體,shg。 特點：應(yīng)力與切變速率呈線性關(guān)系，受外力時應(yīng)變隨時間線性發(fā)展，除去外力應(yīng)變不能恢復(fù)。粘彈性：聚合物材料組合了固體的彈性和液體的粘性兩者的特征，這種行為叫做粘彈性。粘彈性的表現(xiàn)： 力學松弛線性粘彈性： 組合了服從虎克定律的理想彈性固體的彈性和服從牛頓流動定律的理想液體的粘性兩者的特征，就是線性粘彈性。力學松弛：聚合物的力學性質(zhì)隨時間變化的現(xiàn)象，叫力學松弛 靜態(tài)粘彈性 蠕變、應(yīng)力松弛粘彈性分類 動態(tài)粘彈性 滯后、內(nèi)耗線性高聚物理想彈性體理想粘

5、性體交聯(lián)高聚物時間形變不同材料在恒應(yīng)力作用下形變與時間的關(guān)系二、 影響因素1、 溫度T的影響在高分子材料流動過程中，溫度T和壓力p對物料的流動行為影響顯著。TTg：Tg以下，形變主要 由鍵長、鍵角的變化引起，形變速率快，幾乎完全跟得上應(yīng)力的變化，tg小TTg：Tg附近時，鏈段開始運動，而體系粘度很大，鏈段運動很難，內(nèi)摩擦阻力大，形變顯著落后于應(yīng)力的變化， tg大（轉(zhuǎn)變區(qū)）TTg：鏈段運動較自由、容易，受力時形變大，tg小，內(nèi)摩擦阻力大于玻璃態(tài)。TTf：向粘流態(tài)過度，分子間的相互滑移，內(nèi)摩擦大，內(nèi)耗急劇增加， tg大如果在雙對數(shù)坐標圖中繪出同一種高分子材料在不同溫度下的粘度曲線（圖225），可以

6、發(fā)現(xiàn)這些曲線有兩大特點：（1）溫度升高，物料粘度下降；溫度對粘度的影響在低剪切速率范圍特別明顯，尤其對零剪切粘度0的影響很大；（2）不同溫度下的粘度曲線形狀相似，只是位置因溫度不同而相對位移。由于溫度是分子無規(guī)則熱運動激烈程度的反應(yīng)，而分子間的相互作用，如內(nèi)摩擦、擴散、分子鏈去想、纏結(jié)等，直接影響著粘度的大小，故多數(shù)高分子材料的粘度隨溫度發(fā)生變化是容易理解的。溫度升高，材料粘度下降。這可理解為：溫度上升，分子無規(guī)則熱運動加劇，分子間距增大，較多的能量使材料內(nèi)部形成更多的“空穴”（自由體積），因而使鏈段更易于活動。粘流活化能粘流活化能是描述材料粘溫依賴性的物理量。定義為流動過程中，流動單元（對高

7、分子材料而言即鏈段）用于克服位壘，由原位置躍遷到附近“空穴”所需的能量最小。既反映著材料流動的難易程度，更重要的是反映了材料粘度變化的溫度敏感性。由于高分子材料的流動單元是鏈段，因此粘流活化能的大小與分子鏈結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與總分子量關(guān)系不大。一般來說，分子鏈剛性大，極性強，或含有較大側(cè)基的高分子材料，粘流活化能較高，于此相反，柔性較好的線型分子鏈高分子材料粘流活化能較低。2、 剪切速率和剪切應(yīng)力的影響剪切速率和剪切應(yīng)力對高分子液體剪切粘度的影響主要表現(xiàn)為“剪切變稀”效應(yīng)?！凹羟凶兿　钡臋C理可以認為在外力作用下，材料內(nèi)部原有的分子鏈纏結(jié)點背打開，或者使纏結(jié)點濃度下降；也可以理解為在外力作用下，原有的

8、分子鏈構(gòu)想發(fā)生變化，分子鏈沿流動方向取向，使材料粘度下降。這種“剪切變稀”效應(yīng)對高分子材料加工具有重要的實際意義。（1）交變應(yīng)力的頻率小時： （相當于高彈態(tài)） 鏈段完全跟得上交變應(yīng)力的變化，內(nèi)耗小，E小，E” 和tg都比較低.（2）交變應(yīng)力的頻率大時： （相當于玻璃態(tài)） 鏈段完全跟不上外力的變化，不損耗能量，E大，E”和tg0（3）頻率在一定范圍內(nèi)時： 鏈段可運動，但又跟不上外力的變化，表現(xiàn)出明顯的能量損耗，因此E”和tg在某一頻下有一極大值 工業(yè)上常用Mooney粘度計或熔融指數(shù)儀表征材料的流動性，這往往是不夠的。Mooney粘度計測量時的剪切速率較低（。1.2s-1），若集中膠料的粘切依賴

9、性不懂，很可能出現(xiàn)相同Mooney粘度的膠料在加工過程的剪切速率范圍內(nèi)粘度差別很大的現(xiàn)象（用毛細管流變儀和轉(zhuǎn)子式粘度計測得的流動曲線可以教全面地反映材料的粘切依賴性。雖然各種材料都呈現(xiàn)剪切變稀行為，但流動曲線仍有明顯的不同，其差異可以歸結(jié)為三方面：（1）零切粘度（0）高低不同；對同一種材料而言，它主要反映了材料分子量的差別。（2）材料流動性由線性行為（牛頓型流體）轉(zhuǎn)入非線性行為（非牛頓型流體）的臨界剪切速率。c不同。（3）冪律流動區(qū)的曲線斜率不同，即流動指數(shù)n不同。流動指數(shù)n反映了材料粘切依賴性的大小。流動曲線的差異歸根結(jié)底反映了分子鏈結(jié)構(gòu)及流動激勵的差別，一般講，分子量較大的柔性分子鏈，在剪

10、切流場中易發(fā)生解纏結(jié)和取向，粘切依賴性較大。長鏈分子在強剪切場中還可能發(fā)生斷裂，分子量下降，也導致粘度降低。分子鏈柔性較好的，對剪切力敏感性較大，而分子鏈柔性較差的敏感性就較差。以剪切力作參數(shù)的好處在于，當比較材料的粘彈性時，受溫度的影響較小，能較真實反映材料性質(zhì)的區(qū)別。3、“時溫等效原理”在流動曲線上的應(yīng)用既然高分子材料的粘度對溫度和剪切速率都有依賴性，而剪切速率相當于時間的倒數(shù)，那么可以利用“時溫疊加原理”對高分子材料的流動曲線法陣一種“時溫疊加法”。對lglg。曲線進行疊加。為了疊加這些曲線，首先選擇一個參考溫度Tr，以該溫度的流動曲線為參考曲線，所有其他曲線通過沿lg。軸平移，均可以疊

11、加到參考曲線上，得到一條Tr、=200的流動曲線。各區(qū)縣的平移距離取決于平移因子T，定義為：T=。（Tr）/。（T）把不同溫度下的流動曲線疊加成一條流動總曲線，使得人們可以通過少量時間數(shù)據(jù)獲悉更廣闊溫度范圍和剪切速率范圍內(nèi)的流動信息，對于材料的表征十分有利。對lgalg。曲線疊加：首先引入約化粘度的概念，定義約化粘度為a（T）/0（T）。以約化粘度替代表觀粘度為縱坐標；以剪切速率乘以零剪切粘度替代剪切速率作為橫坐標。首先用約化粘度把一族粘度剪切速率曲線標準化，然后以lga（T）/0（T）對lg（0.）作圖，則可把不同溫度下的一族lgalg。曲線疊加成一條總曲線。采用上述方法進行疊加的依據(jù)源于時

12、溫疊加原理，因此按此原理，約化粘度/0是約化剪切速率.·0的單值函數(shù)，即3、 壓力的影響壓力對高分子液體流動性的主要影響是，壓力增高，材料流動性下降，粘度上升。這可歸結(jié)為在高壓下，高分子材料內(nèi)部的自由體積減小分子鏈活動性降低，從而使玻璃化轉(zhuǎn)變溫度抬高。壓力對無聊流動性的影響也可以通過WLF方程來描述。隨著環(huán)境壓力的升高，在WLF方程中選定的標準溫度Ts（定義為Ts=Tg+50，此時環(huán)境壓力約是0.1MPa=1bar）也將向高溫方向位移。這種位移相應(yīng)于玻璃花轉(zhuǎn)變溫度Tg隨壓力升高而增大。當壓力小于100MPa（1bar）時，高分子材料玻璃花轉(zhuǎn)變溫度Tg隨壓力升高呈線性增長，變化規(guī)律為：

13、 Tg（p）=Tg(p=1bar)+·p對于大多數(shù)高分子材料，壓力增大100MPa(1kbar)，Tg大約升高1530。高于100MPa（1kbar），玻璃化轉(zhuǎn)變溫度隨壓力的變化幅度銳減。 4、配合劑的影響任何高分子材料加工時均需使用配合劑。在眾多配合劑中，出去對材料流動性有質(zhì)的影響以外，如交聯(lián)劑、硫化劑、固化劑等，對流動性影響較顯著的有兩大類：填充補強材料，軟化增速材料。關(guān)于填充補強材料，無論是碳酸鈣、赤泥、陶土、高嶺土等無機材料，或炭黑、短纖維等增強材料，加入到高分子材料后都有使體系粘度上升，彈性下降，硬度和模量增大，流動性變差的作用。而軟化增塑劑的作用則是減弱物料內(nèi)大分子鏈間的

14、相互牽制，使體系粘度下降，非牛頓性減弱，流動性得意改善。盡管人們對這些體系的流變性十分感興趣并且做了大量研究，但由于體系組分復(fù)雜，互相制約因素多，流動機理復(fù)雜，許多問題尚待深入研究。炭黑的影響 炭黑是橡膠工業(yè)中大量使用的增強材料。橡膠制品添加炭黑后，拉伸強度能夠提高幾倍到幾十倍。大量炭黑的添加也對橡膠材料的流動性產(chǎn)生顯著影響，主要影響作用為：（1）增粘效應(yīng)，使體系粘度升高；（2）使體系非牛頓流動性減弱，流動指數(shù)n值升高。單純動炭黑的角度看，影響體系流動性的因素有炭黑的用量，粒徑，結(jié)構(gòu)性及表面性質(zhì)，其中尤其以用量和粒徑為甚。一般用量越多，粒徑約細，結(jié)構(gòu)性越高，體系粘度增加的越大。增大的原因為：炭

15、黑粒子為活性填料，其表面可同時吸附幾條大分子鏈，形成類纏結(jié)點。這些纏結(jié)點阻礙大分子鏈運動和滑移，使體系粘度上升。炭黑用量越多，粒徑越細，結(jié)構(gòu)性越高，類纏結(jié)點密度越大，粘度也越大。碳酸鈣的影響 碳酸鈣屬于無機惰性填料，填充懂啊高分子材料中主要起增容積作用以降低成本。它對體系性能至少有以下兩點影響：一是增多體系內(nèi)部的微空隙，使材料內(nèi)部應(yīng)力集中點鄭家，導致破壞過程加速；二是使體系粘度增大，彈性下降，加工困難，設(shè)備磨損加快。所以在加工高填充物料時，一定要充分注意加工條件、工藝的選擇和控制，充分注意模具、機頭的設(shè)計和加工設(shè)備的選型。碳酸鈣粒子本身也有堆砌結(jié)構(gòu)，在持續(xù)剪外力作用下，結(jié)構(gòu)有由解體到再重建，混

16、亂到再有序，不平衡到平衡的漸變過程，表現(xiàn)出觸變性質(zhì)。填充量越高，體系粘度越大，但粘流活化能幾乎不變，高填充體系有時還表現(xiàn)出屈服應(yīng)力。軟化增塑劑的影響 軟化增塑劑主要用于粘度大、熔點高、難加工的高填充高分子體系，以期降低熔體粘度，降低熔點，改善流動性。一般認為軟化增塑劑加入后，可增大分子鏈之間的間距，起到稀釋作用和屏蔽大分子中極性基團，減少分子鏈間相互作用力。另外，低分子量的軟化增塑劑摻在大分子鏈間，使發(fā)生纏結(jié)的臨界分子量提高，纏結(jié)點密度下降，體系的非牛頓性減弱。 在一定范圍內(nèi)，軟化增塑劑用量越大，效能越強，體系粘度越小。三、 內(nèi)部應(yīng)力1、蠕變所謂蠕變，就是指在一定的溫度和較小的恒定外力（拉力、

17、壓力或扭力等）作用下，材料的形變隨時間的增加而逐漸增大的現(xiàn)象。 加荷時間釋荷時間 蠕變曲線從分子運動和變化的角度來看，蠕變過程分為：1.普彈形變2.高彈形變松弛時間t=h2/E2外力除去， 立即完全回復(fù)外力除去， 逐漸回復(fù)小大3.粘性流動高聚物受到外力作用時以上三種形變同時發(fā)生：不可回復(fù)2、應(yīng)力松弛所謂應(yīng)力松弛，就是在恒定溫度和形變保持不變的情況下，高聚物內(nèi)部的應(yīng)力隨時間增加而逐漸衰減的現(xiàn)象對于未交聯(lián)橡膠一個問題的兩個方面， 都反映高分子內(nèi)部分子的三種運動情況不平衡構(gòu)象到平衡構(gòu)象，消除內(nèi)部應(yīng)力3、滯后拉伸曲線下面積為外力對橡膠所作的拉伸功回縮曲線下面積為橡膠對外力所作的回縮功面積之差損耗的功這

18、是由于受到外力作用時，鏈段通過熱運動達到新平衡需要時間，由此引起應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象4、力學損耗（內(nèi)耗） 聚合物在交變應(yīng)力作用下，產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，而使機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿默F(xiàn)象。內(nèi)耗的情況可以從橡膠的拉伸回縮應(yīng)力應(yīng)變曲線上看出本構(gòu)方程是聚合物流變學研究的重要基礎(chǔ)，它必須體現(xiàn)出聚合物熔體的粘彈性，其粘彈性研究有兩條基本途徑，一是從連續(xù)介質(zhì)力學理論，用唯象學觀點來描述E；二是運用流變學分子理論，根據(jù)微觀離散的分子力學模型，用非平衡態(tài)統(tǒng)計力學和連續(xù)介質(zhì)力學混合的方程，導出描述流體客觀力學性質(zhì)的本構(gòu)方程。1、 Maxwell模型Maxwell模型由一個虎克型彈簧和一個牛頓型粘壺串聯(lián)而成。由于性便是粘壺不受彈

19、簧約束，可產(chǎn)生大形變。 設(shè)液體在剪切力作用下發(fā)生流動，彈簧、粘壺同時發(fā)生形變。對彈簧有1=G1 對粘壺有2=0.2 因為串聯(lián)，總應(yīng)力=1+2 總應(yīng)變.=1+2=所以有+1=0結(jié)果表明，采用Maxwell模型確實能描述材料在穩(wěn)態(tài)簡單剪切流場中的流動，但是模型的描述能力是很有限的。實際上他只能描述具有常數(shù)粘度0的牛頓型流體的粘性行為，高分子液體在剪切速率極低情況下的流動狀態(tài)也可用該模型近似描述。對于牛頓流體在一般流場中的非線性粘彈行為，Maxwell模型無能為力。既不能描述高分子液體典型的剪切變稀行為，也不能描述流動中存在法向應(yīng)力差的事實。2、廣義Maxwell模型White-Metzner模型該

20、模型的主要特點是在Maxwell模型方程式中，采用對應(yīng)力張量求Oldroyd隨流微商代替一般偏微商。White-Metzner模型的方程形式為： 1=20d 對于純粘性流體，由于無記憶特性，其應(yīng)力只依賴于形變速率的瞬時值，銀次采用固定的空間坐標系來計算是方便的。對于粘彈性流體，其應(yīng)力不僅依賴于即時形變，還依賴于過去的形變歷史，也就是說流體元有“記憶”能力，銀次采用固定的空間坐標系對其描述就很麻煩。另外在固定坐標系長考察流動時，材料元的形變往往總與平動、轉(zhuǎn)動牽扯在一起，討論時也不方便。為此，人們考慮采用一種鑲嵌在所考察的材料元上，隨材料元一起運動的坐標系作為參照系，在此參照體系中考察流體元的形變

21、。這種參照系因為隨材料元一起流動，故被稱為隨流坐標系，它最初是由Oldroyd提出的。由于在隨流坐標系中定義的任何形變的度量總是針對同一個材料元的，可擺脫平動和轉(zhuǎn)動速率的影響，故討論流體元的形變問題有明顯的優(yōu)越性。 DeWitt模型 該模型是在Maxwell方程中對應(yīng)力張量求時間微商這一項，用共旋隨流微商代替。得到的DeWitt模型方程形式為：+120d 式中ij=ij-ikjk-jk-jkDeWitt模型方程及其結(jié)果中含有兩個材料常數(shù)0和1，可以根據(jù)實驗數(shù)據(jù)加以確定。但是人們在實踐中也發(fā)現(xiàn)，僅僅依靠兩個材料常數(shù)就像使模型能夠區(qū)別說明眾多高分子材料的復(fù)雜流變性質(zhì)是十分困難的。其他類型的微分模型

22、Jeffreys模型，方程形式為：+1=20d+2（）Oldroyd模型，方程形式為：+1（）=20d+2（）Maxwell模型的疊加事實上由于高分子液體結(jié)構(gòu)和運動單元的多重性和復(fù)雜性，其松弛時間往往有多個，形成一個松弛時間譜，銀次可以提出另一種推廣Maxwell模型的方法，即從材料結(jié)構(gòu)特點的觀點出發(fā)進行推廣。推廣Maxwell模型的方法為用多個Maxwell模型并聯(lián)代替單一Maxwell模型來描寫材料的非線性流變性。模型方程可寫為：=3、Voigt(Kelvin)模型描述交聯(lián)高聚物的流變方程應(yīng)力由兩個元件共同承擔，始終滿足 =1+2 型變量相同Voigt運動方程 廣義Voigt(Kelvin

23、)模型若干個Voigt(Kelvin)模型串聯(lián)起來，體系的總應(yīng)力等于各單元應(yīng)力0=1=2.=n體系的總應(yīng)變等于各單元應(yīng)變之和=1+2+3.+n 蠕變?nèi)崃浚?、Bolzmann疊加原理對于時間序列中一系列階躍應(yīng)變（或應(yīng)力）的輸入，體系在即時t的應(yīng)力（或應(yīng)變）響應(yīng)可以表示為不同時刻t（tt）的一系列個別響應(yīng)的線型疊加。需要指出的是，Bolzmann疊加原理術(shù)語線型疊加理論，原則上只是用于小形變過程。對于描述我們研究的有限大形變過程和非線性粘彈函數(shù)是不適用的。如果要原理對大形變過程也是用，必須加以推廣或再加說明。具體方法有：（1）把問題變換到恰當?shù)淖鴺讼迪氯ビ懻?。?）假定對應(yīng)于大應(yīng)變過程，其分割的

24、每一個子應(yīng)變過程的應(yīng)力相應(yīng)足夠小，小道還是可以進行線性疊加。5、Lodge網(wǎng)絡(luò)理論類橡膠液體理論 理論認為，高分子液體之所以具有彈性，與其微觀分子鏈結(jié)構(gòu)有關(guān)。我們已知交聯(lián)橡膠的高彈性是由于分子鏈相互交聯(lián)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所致；處于高彈態(tài)的高分子本體材料具有高彈性是由于分子鏈足夠長，相互纏結(jié)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所致。那么也可以認為，高分子液體具有彈性也是因為其中的分子鏈以某種形式相互連接，組成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的。通過計算單位體積液體形變前后網(wǎng)鏈的構(gòu)象之差，可求出彈性應(yīng)力響應(yīng)的大小。只是高分子液體中的分子鏈網(wǎng)絡(luò)與交聯(lián)橡膠中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有著本質(zhì)的區(qū)別，與處于高彈態(tài)的高分子本體材料中分子鏈的纏結(jié)也不相同，銀次問題的處理

25、方式不同。從這個觀點出發(fā)，高分子液體被稱為類橡膠液體。理論假設(shè)，類橡膠液體中分子鏈網(wǎng)絡(luò)具有如下的基本性質(zhì)，或稱為基本假定：（1） 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是由沿著分子鏈的區(qū)域性強烈叫喚作用形成，此外不再存在其他分子間或分子內(nèi)的作用力。（2） 纏結(jié)點會因分子鏈熱運動和外部作用的影響破壞和在形成。（3） 纏結(jié)點形成的瞬間，滿足各向同性分布函數(shù)，即認為存在一個自由的，無載荷的纏結(jié)點分布函數(shù)。（4） 形變時，纏結(jié)點的運動與宏觀變形一致。（5） 纏結(jié)點間的網(wǎng)鏈長度，遠大于結(jié)點間距，網(wǎng)鏈為自由連接的高斯鏈。基于上述假定，Lodge推倒出一個描述類橡膠液體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的積分型本構(gòu)方程：（t）=2（t-t）C-1（t，t）-

26、Idt四、表征方法及測量手段 隨著高分子材料流變學的蓬勃法陣，流變測量的方法和儀器也日臻完善。流變測量的目的至少可歸納為三個方面： （1）物料的流變學表征 這是最基本的流變測量任務(wù)。通過測量掌握物料的流變性質(zhì)與體系組分、結(jié)構(gòu)以及測試條件間的關(guān)系，為材料設(shè)計、配方設(shè)計、工藝設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，控制和達到期望的加工流動性和主要物理力學性能。（2）工程的流變學研究和設(shè)計 借助于流變測量研究聚合反應(yīng)工程、高分子加工工程及加工設(shè)備與模具設(shè)計制造中的流場及溫度場分布，確定工藝參數(shù)，研究極限流動條件及其與工藝過程的關(guān)系，為實現(xiàn)工程最優(yōu)化，未完成設(shè)備與模具CAD設(shè)計提供可靠的定量依據(jù)。（3）檢驗和知道流變本構(gòu)方

27、程理論的發(fā)展 這是流變測量的最高級任務(wù)。這種測量鼻血是科學的，經(jīng)得起驗證的。通過科學的流變測量，獲得材料真實的粘彈性變化規(guī)律及與材料結(jié)構(gòu)參數(shù)間的內(nèi)在聯(lián)系，由此檢驗本構(gòu)方程的優(yōu)劣，知道本構(gòu)方程理論的發(fā)展。常用的流變測量儀器可分為以下幾種類型：毛細管型流變儀 其中根據(jù)測量原理不同又可分為恒速型和恒壓型兩種。通常的高壓毛細管流變儀多為恒速型；塑料工業(yè)中常用的熔融指數(shù)儀屬恒壓型毛細管流變儀的一種。轉(zhuǎn)子型流變儀 根據(jù)轉(zhuǎn)子幾何構(gòu)造不同又分為錐板型、平行板型、同軸圓桶型等?；鞜挋C型轉(zhuǎn)矩流變儀 實際上是一種組合式轉(zhuǎn)矩流變儀。它帶有一種小型密煉器和小型螺桿擠出機及各種口模。有點在于其測量過程與實際加工過程相仿，

28、測量結(jié)果更具工程意義。震蕩型流變儀 用于測量小振幅下的動態(tài)力學性能，其結(jié)構(gòu)如同轉(zhuǎn)子型流變儀。只是通過改造控制系統(tǒng)，使其轉(zhuǎn)子不是沿一個方向旋轉(zhuǎn)，而是作小振幅的正弦震蕩。根據(jù)物料的形成歷史，即按運動的時間依賴性來分類，流變測量實驗可分為：穩(wěn)態(tài)流變實驗 試驗中材料內(nèi)部的剪切速率場、壓力場和溫度場恒為常數(shù)，不隨時間變化。動態(tài)流變實驗 試驗中材料內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變場均發(fā)生交替變化，一般要求振幅要小，變化以正弦規(guī)律進行。瞬態(tài)流變實驗 實驗時材料內(nèi)部的應(yīng)力或應(yīng)變發(fā)生階躍變化，即相當于一個突然的其實流動或終止流動。此類實驗中材料的多種力學性質(zhì)得到反映。1、毛細管流變儀的測量原理和方法毛細管流變儀是目前發(fā)展的最成

29、熟、最典型、因而應(yīng)用最廣的流變測量儀。其主要有點在于：操作簡單，測量準確，測量范圍廣，另外毛細管中無聊的流動與某些加工成型過程中物料流動形式相仿，因而具有使用價值。 重點討論恒速型毛細管流變儀的測量原理。物料從直徑寬大的料筒，經(jīng)擠壓通過有一定入口角的入口區(qū)進入毛細管，然后從出口基礎(chǔ)，其流動狀況發(fā)生巨大的變化。入口附近有明顯的流線熟練行為，它將影響到無聊剛剛進入毛細管區(qū)的流動，使得流入毛細管一段距離后，才能發(fā)展成為穩(wěn)定的流線平行的層流。在出口附近，因為管壁約束突然消失，彈性液體表現(xiàn)出擠出脹大，流線又隨之發(fā)生變化。銀次無聊在整根毛細管中的流動可分為三個區(qū)：入口區(qū)、完全發(fā)展流動去、出口區(qū)。運動方程及

30、剪切應(yīng)力的計算設(shè)流體為不可壓縮的粘彈性流體得到連續(xù)方程為：p·r2=·2rL =p·在筒壁處 =p· 由此可見，物料在毛細管內(nèi)流動時，同一橫截面內(nèi)各點的剪切應(yīng)力分布并不均勻，軸心處為零而桶壁處取最大值。剪切速率的計算，Rabinowich-Mooney公式對于牛頓流體，有下述流動本構(gòu)方程成立：rz=0=0()式中負號的引入是因為r=R（管壁）處流速為零，流速vz隨r減小而增大。結(jié)合上式可得到：rz積分上式，得到毛細管內(nèi)物料沿徑向的速度分布：vz（r）=2-r2）這是一個拋物面形狀的速度分布圖。物料在管軸心處流蘇最大，管壁處為零。根據(jù)速度分布，可以進一步求

31、的物料流經(jīng)毛細管的體積流量：z·2rdr由體積流量Q求出在毛細管管壁處牛頓型流體所承受的剪切速率對于非牛頓型流體，剪切速率的計算比較復(fù)雜。為此重新考慮體積流量積分式。 綜上所述，采用毛細管流變儀測量無聊年度的步驟如下：通過測量完全發(fā)展流動區(qū)上的壓力降計算管壁處物料所受的接切應(yīng)力w，通過測量體積流量或平均流速計算管壁處的剪切速率w，由此計算物料的粘度a=w/wBagley修正為了從測得的壓力差p準確求出完全發(fā)展流動區(qū)上的壓力梯度，Bagley提出如下修正方法。中心思想是，保持壓力梯度不變，將毛細管虛擬地延長，并將入扣區(qū)的壓力降等價為虛擬延長長度上的壓力降。物料在管壁處所受的剪切應(yīng)力則等于：2、錐板型轉(zhuǎn)子流變儀簡介錐板型型流變儀屬轉(zhuǎn)子型流變儀的一種，其核心結(jié)構(gòu)由一個旋轉(zhuǎn)的錐度很 小的圓錐體和一塊固定的平板組成。被測液體充入其間。當圓錐體以一定角速度旋轉(zhuǎn)時，帶動液體隨之運動，液體作