高分子材料流变学
Polymer rheology
一、课内学时：40学时；学分：2学分
二、使用专业：高分子化学与物理、材料学、材料加工工程、高分子机械设计
三、预修课程：高分子化学、高分子物理学、高分子结构与性能、高分子加工原理、场论
四、教案目的：
《高分子材料加工原理》是高分子材料与工程专业本科生的必修课，课程设置的目的是：
1．使学生对高分子材料加工过程的基本原理，主要包括高分子材料在成型加工过程中的基本流变学原理和传热学原理有比较全面的认识。结合高分子物理学、材料加工工艺学、加工机械及模具设计，理解高分子材料的流变性质、传热性能与材料的结构、性能、制品配方、加工工艺条件、加工机械及模具的设计和应用之间的关系。
2．掌握高分子材料的基本流变学性质和传热学性能；了解研究高分子材料流变性质、传热性能的基本数学、力学方法；掌握测量、研究高分子材料流变性质、传热性能的基本实验方法和手段。为进一步学习《聚合反应工程学》、《材料成型加工工艺学》、《材料成型加工机械》、《模具设计》等课程打下基础。
3．讨论典型高分子材料成型加工过程的流变学、传热学原理，讨论多相聚合物体系（复合材料）的流变性质和传热性能，为分析和改进生产工艺、指导配方设计、开发和应用高分子材料提供一定的理论基础。
本课程属一门多学科交叉，理论性与实践性均很强的新兴学科，国内目前尚无统一大纲和教材。鉴于目前介绍关于高分子材料传热性能的书籍比较混乱，本大纲暂时先拟定讲授高分子材料流变学的基本内容和要求。以后条件成熟时，再补充高分子材料传热学方面的内容。高分子流变学要求的教案时数为32学时，高分子传热学要求的教案时数为16学时，总计教案时数为48学时。
关于高分子材料流变学部分，本大纲遵循基本理论与生产实践相结合，既有一定广度，又有一定深度、新度，材料宏观性质与微观结构分析相结合，唯象性讨论与建立数学模型相结合的特点，按照少而精的原则，设置了七章二十节内容，教案时数为32学时。
各章节的基本教案要求如下：
第一、二、三章：
1．前三章为本课程学习的重点和基础。
2．要求掌握流变学研究中的基本物理量及基本流变函数。理解高聚物液体的流动机理，理解高聚物
液体流动时发生剪切变稀、挤出胀大、熔体破裂等奇异流变现象。能用“高分子构象改变理论”说明其奇异粘弹性。
3．了解非牛顿流体的类别和流动特点。
4．掌握各类条件和参数对高聚物液体剪切粘度的影响规律，包括：加工条件（温度、压力、剪切速率、剪切应力），分子结构参数（分子量、分子量分布、长链支化程度），配方参数（填充－增强剂、软化－增塑剂）。
5．理解高分子液体流动中的弹性效应及影响液体弹性的因素。
第四章：
1．流变学基础方程，特别本构方程是流变学研究的中心课题，但由于需要较多数学准备知识，对材料类专业本科生不宜提出过高要求。主要使学生了解本构方程基本概念及建立高聚物液体流变本构方程基本方法，对力学模型和分子模型理论有初步的认识。
2．掌握幂率方程。
3．了解定量研究高聚物流变性质的数学、力学方法；了解连续性方程，运动方程及能量方程的物理意义。
4．了解平行板之间的拖曳流及圆柱形流道中压力流的流场分析。
第五章：
1．熟悉和理解测量聚合物熔体、溶液剪切粘度的几种方法及原理，尤其对高压毛细管流变仪的测量原理、数据处理方法（Rabinowitch修正，Bagley修正）、测量结果分析等有较好的理解。
2．了解高分子材料的动态粘弹性，了解测量动态粘弹性质的方法。
第六章：
1．本章选择具有代表性的挤出加工过程，混炼加工过程，压延成型过程及注射成型过程，讨论流变学分析在研究加工原理中的作用，不同专业也可视教案对象的不同及学时的宽松加以节选及增删。
2．理解各加工过程的流变学分析方法及结论，理解这些结论的物理意义。
3．讲解的重点放在牛顿流体的等温流动过程上，求解过程尽管简化，侧重流场的分析及结果的讨论，并恰当地推广到非牛顿流体的情形。
第七章：
1．在丰富的多相聚合物弹性流变性质研究中，本章选择两相聚合物共混体系及填充聚合物体系加以介绍，介绍的目的是使学生理解在对新的高分子复合材料的开发中，流变性质的意义。
2．理解多相聚合物体系的粘弹行为及其他特殊性质。
3．以流变性－形态结构－力学性能为中心线索，让学生进一步理解复合材料的微观、亚微观结构与宏观性质之间的联系。
五、大纲内容（注：“*”表示重点，“#”表示难点，“★”表示涉及学科前沿）
第一章绪论
主要讲解：流变学研究的内容和意义；奇异流变现象；粘流态特征及流动机理*。
第二章基本物理量和高分子液体的基本流变性质
1．基本物理量*#
主要讲解：应力与偏应力张量；形变和形变梯度张量；速度梯度、形变率张量
2．粘度与法向应力差系数*
主要讲解：表观剪切粘度函数；第一、第二法向应力差函数；拉伸粘度函数
3．非牛顿型流体的分类*
主要讲解：Bingham塑性体；假塑性流体；胀塑性流体
4．关于剪切粘度的深入讨论*
主要讲解：温度T的影响；剪切速率和剪切应力的影响；“时温等效原理”在流动曲线上的应用；压力的影响；配合剂的影响
5．关于＂剪切变稀＂行为的说明
主要讲解：高分子构象改变说；类橡胶液体理论
6．高分子液体弹性效应的描述*
主要讲解：可恢复形变量SＲ；挤出胀大比及口型出口压力降；第一、二法向应力差系数7．高分子液体的动态粘弹性
主要讲解：小振幅振荡剪切流场的数学分析；动态粘弹性与稳态流变性的关系
第三章非线性粘弹流体的本构方程
1．本构方程概念
2．速率型本构方程*#
主要讲解：经典的线性粘弹性模型━━Ｍaxwell模型；空间描述法和物质描述法；广义Ｍaxwell模型#；Ｒivlin-Ericksen二阶流体模型#
3．积分型本构方程*#
主要讲解：Bolzmamm叠加原理；Maxwell模型的积分形式；Lodge网络理论━━类橡胶液体理论；Ｍeister模型和Ｂird-Carreau模型#
4．流变模型对高分子科学和高分子工程问题的意义
第四章高分子流变本构方程的分子理论
1．高分子稀溶液和浓厚体系
2．孤立分子链的粘弹性理论*#
主要讲解：Debye珠-链模型的主要观点；Rouse-Zimm模型的主要假定及处理方法；
Rouse-Zimm模型的显式本构方程；流体动力学相互作用，Zimm的修正；非仿射变形假
定和带滑动函数的Rouse-Zimm模型★
3．高分子浓厚体系的流变模型和本构方程*#
主要讲解：高分子浓厚体系的性质；缠结高分子的模型化——蠕动模型★；高分子浓厚体系的流变本构方程，Doi-Edwards模型★
4．分子结构参数对流变性质的影响*
主要讲解：平均分子量的影响；分子量分布的影响；支化结构的影响；讨论分子结构参数对流变性影响的意义
5．松弛时间谱及其与材料粘弹性函数间的关系#
主要讲解：松弛时间谱的定义；松弛时间谱与材料粘弹函数的关系；★由实验数据直接求取材料松弛时间谱的方法；影响流变松弛时间谱的因素
第五章输运过程的基本方程及基本流动形式
1．连续性方程━━质量守恒律
2．运动方程━━动量守恒律
3．能量方程━━能量守恒律
4．平行板间的等温拖曳流和管道中的压力流
主要讲解：平行板间的等温拖曳流；园形管道中的压力流
5．输运过程基本方程在直角坐标系和柱坐标系中的形式
第六章流变测量学
1．毛细管流变仪的测量原理和方法*
主要讲解：毛细管流变仪的基本构造；完全发展区内的流场分析；入口区附近的流场分析，Bagley修正；出口区的流动情况
2．锥－板型转子流变仪简介
主要讲解：锥－板型流变仪测量粘度；锥－板型流变仪测量法向应力差函数；锥－板型流变仪进行动态粘弹性测量
3．落球式粘度计的测量原理
4．混炼机型转矩流变仪的原理和用途
主要讲解：结构与用途；转矩绝对值及其波动的意义
第七章高分子材料典型加工成型过程的流变分析
1．混炼工艺与压延工艺（辊筒上的成型加工过程）*
主要讲解：运动方程与润滑近似假定；速度分布与压力分布公式；关于辊筒间压力与速度分布讨论
2．挤出成型过程*
主要讲解：物料在匀化计量段螺槽中的流动；机头口型中物料的流动；实行稳定挤出的一些流变学考虑
3．纤维纺丝成型过程
主要讲解：稳态单轴拉伸流动的数学解读；稳态单轴拉伸流动的本构模型描述；纤维纺丝成型原理简述；单轴拉伸粘度的实验测定；物料的可纺性及与分子参数的关系
第八章注塑成型过程及注射模具计算机辅助设计中的流变学问题
1．注塑成型过程的流变分析*
主要讲解：注塑成型过程简介；简化假定和基本方程；充模压力分析；注塑制品中的残余应力及分子取向
2．注射模具计算机辅助设计的一般要求及步骤
主要讲解：注塑模具的主要功能及一般设计要求；注塑模具CAD设计的一般步骤3．注塑模具流变学参数的CAD设计#
主要讲解：差分法计算的基本方程；方程的求解和程序编写；图解法确定填充图象（L/H 法）
4．有限元法绘制填充图象
主要讲解：有限元法绘制填充图象的主要步骤；编制有限元程序的基本方程；有限元程序；应用举例
第九章高分子熔体流动不稳定性及壁滑现象
1．挤出成型过程中的熔体破裂行为*
主要讲解：两类熔体破裂现象；熔体破裂现象的机理分析；影响熔体挤出破裂行为的因素
2．管壁滑移现象及Uhland模型
3．壁滑，挤出畸变，熔体破裂的联系及新认识#
主要讲解：关于高分子液体奇异流变性的基本认识；前人关于壁滑，挤出畸变，熔体破裂的认识；关于壁滑，挤出畸变，熔体破裂的新认识★
第十章高分子基多相体系的流变行为
1．高分子共混体系的相容性
主要讲解：高分子-高分子共混原则；高分子-高分子共混的热力学相容性#
2．高分子共混体系的形态及流变行为*
主要讲解：高分子共混体系的形态；高分子共混体系的粘性行为；高分子共混体系在流动中的弹性行为
3．高分子分散体系的流变行为*
主要讲解：高分子填充体系的流变行为；聚合填充法制备聚烯烃基复合材料的流变行为★
六、教材，参考资料
教材：吴其晔，巫静安，《高分子材料流变学》，北京：高等教育出版社，2002
参考资料：
1.Lodge A S. Elastic Liquids. London:Academic Press, 1964
2.Bird R B, Armstrong R C, Hassager O. Dynamics of Polymeric Liquids. New York: John Wiley & Sons,
1977
3.Truesdell C, Noll W. The Nonlinear Field Theories of Mechanics, in: Handbuch der Physik. Berlin:
Springer-Verlag, 1965
4.Coleman B D, Markovitz H, Noll W. Viscometric Flow of Non-Newtonian Fluids. Berlin: Springer-Verlag,
1966
5.de Gennes P G.Scaling Concepts in Polymer Physics. Ithasa and London: Cornell Univ Press,1979
6.Han C D. 聚合物加工流变学. 徐僖，吴大诚等译. 北京：科学出版社，1985
7.小野木重治. 高分子材料科学. 林福海译. 北京：纺织工业出版社，1983
8.Doi M, Edwards S F. The Theory of Polymer Dynamics. Oxford: Clarendon Press, 1986
9.Ferry J D. Viscoelastic Properties of Polymer 3rd ed. New York: John Wiley & Sons, 1983
10.Schowalter WR. Mechanics of Non-Newtonian Fluids. Oxford: Pergamon Press, 1978: 80-82
11.斯潘塞AJM. 连续体力学. 李灏, 陈树坚编译. 武汉：华中工学院出版社，1982：第四章
12.陈文芳. 非牛顿流体力学. 北京：科学出版社，1984：第二章
13.许元泽. 高分子结构流变学. 成都：四川教育出版社，1988
14.Dealy JM. Rheometers for Molten Plastics. New York: Van Nostrand Reinhold Co,1984
15.VinogradovC V, Malkin A Ya. Rheology of Polymers. Berlin: Springer-Verlag, 1980
16.Menges G. Werkstoffkunde Kunststoff. Muechen: Carl Hanser Verlag, 1990
17.Lenk R S. Polymer Rheology. London: Applied Science Publishers Ldt, 1978
18.马德柱，何平笙，徐种德，周漪琴. 高聚物的结构与性能（第二版）. 北京：科学出版社，1995
19.吴其晔，巫静安. 高分子材料流变学导论. 北京：化学工业出版社, 1994
20.Nelsen L E. 聚合物流变学. 范庆荣, 宋家琪译. 北京：科学出版社，1983：第七章
三、说明
1、学时分配
2、对大纲基本要求的说明
基本要求分为三级：
1．掌握——属最高要求，对这些内容（包括定义、原理、公式的内容及意义，使用条件等），学生应透彻地弄清楚，并能熟练地运用。
2．理解——属一般要求，学生应清楚这些内容的渊源及物理意义，一般不要求推导，但能用以分析、讨论有关的简单问题。
3．了解——属要求较低的内容，对这些内容只要求学生知道有关的物理量、某些现象及其解释，或某些重要实验及它们所表明的某些规律性等。
青岛科技大学高分子物理教研室编
2003-10-26
1.流变学属于什么领域及由什么内容形成？领域:介于力学,化学和工程科学之间的边缘科学.形成内容:构成.塑性.弹性.粘流.变形 2.伽利略：提出“内聚粘性”；胡克：研究弹性固体，提出了应力——应变的关系；牛顿：研究粘性液体，提出了流体应力——切变速率的关系；宾汉：发现了“宾汉流体”，命名了“流变学”；门尼：发明了门尼粘度计，改善了橡胶质量控制手段；泊肃叶：提出了泊肃叶方程，表示了粘性流体沿水平放置的圆形管道做层流时的流量，可用来计算粘性损耗，测量流体的粘度。 4.流变学的研究内容：借助高分子物理和加工理论解释材料在应力作用下各种力学行为与各因素之间的关系，解决高分子材料应用工程的问题。 5.影响聚合物加工性能的流变性质？ 断裂特性；粘度（流动性的量度）；弹性记忆效应（挤出膨胀）。 6.学习聚合物加工流变学的意义。 a.对进一步合成加工性能优良的高聚物有指导意义； b.对合理选择加工工艺和配方设计有重要意义； c.对合理设计加工机械，正确使用机械，创新加工机械十分重要。 1.聚合物加工过程的应力有哪三种类型？在其作用下各产生什么流动？ 答：A剪切应力(τ)：产生剪切流动，如挤出机口模注塑机流道炼塑(胶)机辊间。B拉伸应力(σ)：产生拉伸流动，如薄膜电线包覆。C 流体表压力（P）：产生压力流（泊肃叶流动），如两平面间缝隙、圆管中的泊肃叶流动。2.聚合物流动的主要特点？ 答A流动机理的分段流动；低分子：整个分子移动（跃动）→实现流动；高分子：分段移动→实现流动。B粘度大，流动困难，且粘度不是一个常数。C流动时有构象变化，产生“弹性记忆效应”，加工过程中聚合物流动性质主要表现为粘度变化，粘度（及变化）是聚合物加工过程中重要的参数。 4.为何聚合物流动时会产生弹性记忆效应？答：聚合物卷曲的分子链在外力作用下，产生流变，并产生分子链相对位移以及高弹形变（链舒展、构象变化）。由于聚合物在流变过程中，不仅有真实的流动（塑性形变），还伴随非真实流动（高弹形变），外力除去→回缩
判断15分选择20分名词解释15分简述题20分计算题30分 一名词解释 1.假塑性流体：黏度随剪切速率的增加而降低的流体，粘度与剪切应力之间的关系服从幂律定律，其中，非牛顿指数n<1 2.膨胀性流体:黏度随剪切速率的增加而升高的流体，粘度与剪切应力之间的关系服从幂律定律，其中非牛顿指数n>1 3.宾汉流体:指当所受的剪切应力超过临界剪切应力后，才能变形的流动的流体，亦称塑性流体，其中剪切应力与剪切速率服从 4.牛顿流体:剪切应力与剪切速率之间呈线性关系，表达式为的流体 5.剪切变稀：粘度随剪切速率升高而降低 6.爬杆效应：当金属杆在盛有高分子流体的容器中旋转，熔体沿杆上爬的现象 7.挤出胀大：聚合物熔体挤出圆形截面的毛细管时，挤出物的直径大于毛细管模直径 8.熔体破裂：聚合物熔体在毛细管中流动时，当剪切速率较高时，聚合物表面出现不规则的现象，如竹节状，鲨鱼皮状 9.无管虹吸：当插入聚合物溶液中的玻璃管，提离液面之上时，聚合物溶液继续沿玻璃管流出的现象 10.第一法向应力差：高聚物熔体流动时，由于弹性行为，受剪切的作用时，产生法向应力差，其中满足关系式(通常为正值) 11.第二法向应力差：同上，关系式为 (通常为负值) 12.本构方程：是一类联系应力张量和应变张量或应变速率张量之间的关系方程，而联系的系数通常是材料的常数。 13.剪切应力：单位面积上的剪切力， 14.剪切速率：流体以一定速度沿剪切力方向移动。在黏性阻力和固定壁面阻力的作用力，使相邻液层之间出现速度差,也可理解成一定间距的液层，在一定时间内的相对移动距离。
解答题 1.用分子链缠结的观点解释普适效应 答：当高聚物的相对分子质量超过某临界值后，分子链间存在着相互缠绕点或因范德瓦耳斯力作用形成链间的物理交联点。在分子热运动作用下，这些物理缠结点处于不 断解体和重建的动平衡状态。整个高聚物熔体或浓溶液具有不断变化着的拟网状结构。 低剪切速率分子链的高度缠结 剪切速率增大分子发生构象变化 剪切速率继续增大结构完全被破坏 分子链缠结的观点：当高聚物的相对分子质量超过某临界值后，分子链间存在着相互 缠绕点或因范德瓦尔斯力作用形成链间的物理交联点。在分子热运动作用下，这些物 理缠结点处于不断解体和重建的动平衡状态。整个高聚物熔体或浓溶液具有不断变化 着的拟网状结构。在低剪切速率下，大分子链的高度缠结，流动阻力很大。由于剪切 速率很小，缠结点的破坏等于缠结的形成，粘度能保持恒定的最大值ηo,具有牛顿流体的流动行为.当剪切速率增大时,大分子在剪切作用下发生构象变化.随着剪切速率增大, 缠结的解除和破坏增多,而缠结的重建越来越少.大分子链和链段沿着流动方向的取向越来越明显.这样使流动阻力减小,表观粘度ηa下降,表现了假塑性的剪切变稀的流动特征.当剪切速率继续增大时,在强剪切作用下,大分子的拟网状结构完全被破坏.高分子链沿 着剪切方向高度取向排列,流体粘度达到最小值η∞,且有牛顿流体的流动行为. 2.非牛顿流体划分 剪切流动中非线性流体可归纳为一下三类型： 1）非时间依赖性非牛顿流体这类流体中任何一点的剪切速率都是该点剪切应力的某种函数，而不依赖于其他因素 2）黏弹流体这类流体具有固体和液体两者的特性，在形变之后表现为部分弹性回复 3）时间依赖性非牛顿流体这种流体的剪切应力-剪切速率关系依赖于流体被剪切作用的时间，这是一种复杂的关系，如触变性和流聚性流体 3.温度、剪切速率、支化、压力重均、相对分子质量对聚合物熔体黏度的影响 1）温度的影响温度升高时，黏度下降越明显温度↗，黏度↘
名词解释5道 15分 判断10道 10分 选择10道 20分 问答4道 40分 论述题1题 15分 第一章绪论 通用高分子的主要种类和概念 纤维：一种细长形状（长径比>10）、截面积较小(<0.05mm2)的物体 塑料：以合成（或天然）的高分子化合物为基本成份、在加工中通过塑化流动或原位聚合而成型的柔韧性或刚性固体高分子材料 橡胶：以合成（或天然）的高分子化合物为基本成份的高弹性的高分子材料 涂料：应用于物体表面并能结成坚韧保护膜的物质的总称 胶粘剂：能把各种材料粘合在一起的物质 材料是用来制造各种产品的物质，是具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质。 第二章聚合物流体的制备 聚合物流体的制备包括熔体的制备和溶液的制备 第二节中的1，2，3小节 ·熔体的话是通过加热，不同加热的方法，加热，熔体转移，熔体移轴， 剪切，理解热传导，熔融方法上的要求 聚合物的熔融：即完成聚合物由固体转变为熔体的过程。 一.熔融的方法（了解蓝色字体的方法和区别） 1. 无熔体移走的传导熔融 2. 有熔体强制移走的传导熔融: 熔融的一部分热量由接触表面的传导提供，一部分热量通过熔膜中的粘性耗 散将机械能转变为热能来提供。 ·力学耗散：力学的能量损耗，即机械能转化为热能的现象.在外力作用下，大分子链的各运动单元可能沿力的方向做从优取向的运动，就要克服内部摩擦，所以要消耗能量,这些能量转化为热能. 随着螺杆的转动，筒壁上的熔膜被强制刮下来移走,而使熔融层受到剪切作用，使部分机械能转变为热能. 哪种热能占主导地位，取决于聚合物本身的物理性质、加工条件和设备的结构参数。 当机筒温度较低、螺杆转数较高时，由剪切产生的剪切热占主要地位。 当螺杆转数较低，机筒温度较高时，机筒的传导热占主要地位。 3.压缩熔融: 熔融热量由将机械能转变为热能来提供。 4.耗散混合熔融: 熔融热量由在整个体积内将机械能转变为热能来提供的。例：双辊塑炼（开炼） 5.利用电、化学或其它能源的耗散熔融方法:熔融的热量通过电、化学或其它能源转变为热能来提供。 6.振动诱导挤出熔融: 将振动力场引入聚合物熔融加工的全过程。实际上物料是在一个封闭的压力容器中受到一个复杂的往复剪切力作用。分子链会在两个作用力的方向进行排列，形成网格化结构。
本构方程在高分子科学和高分子工程中的应用 (吴其晔，高分子材料流变学) 判断一个本构方程的优劣主要考察： 1)方程的立论是否科学合理，论据是否充分，结论是否简单明了。 2)一个好的理论，不仅能正确描写已知的实验事实，还应能预言至今未知，但可能发生的事实。 3)有承前启后的功能。例如我们提出一个描写非线性粘弹流体的本构方程，当条件简化时，它应能还原为描写线性粘弹流体的本构关系。 4)最后也是最重要的一条，即实验事实(实验数据)是判断一个本构方程优劣的出发点和归宿。实践是检验真理的唯一标准。 对高分子液体流变本构方程理论和实验规律的研究对于促进高分子材料科学，尤其高分子物理的发展和解决聚合物工程中(包括聚合反应工程和聚合物加工工程)若干重要理论和技术问题都具有十分重要的意义。 一则由于高分子材料复杂的流变性质需要精确地加以描述，二则由于高新技术对聚合物制品的精密加工和完美设计提出越来越高的要求，因此以往那些对材料流动性质的经验的定性的粗糙认识已远远不够。 众所周知，高分子结构研究(包括链结构、聚集态结构研究)以及这种结构与高分子材料作为材料使用时所体现出来的性能、功能间的关系研究始终是高分子物理研究的主要线索。与“静态”的结构研究相比，高分子“动态”结构的研究，诸如分子链运动及动力学行为、聚集态变化的动力学规律、
高分子流体的非线性粘弹行为等，更是近年来引人注目的前沿领域。按现代凝聚态物理学的概念，高分子体系被称为软物质(soft matter)或复杂流体(complex fluids)。所谓软物质，即材料在很小的应变下就会出现强烈的非线性响应，表现出独特的形态选择特征。这正是高分子流体的本征特点。如果能精确描述出高分子液体的复杂应力-应变关系，找出这种关系与材料的各级结构间的联系，无疑对高分子凝聚态理论的发展具有重要意义。 在高分子工程方面，当前各种各样新型合成技术及新成型方法、新成型技术(如反应加工成型、气辅成型、振动剪切塑化成型、特种纤维的纺制、新成纤技术等)陆续问世，在每一种技术发展过程中，研究高分子液体(熔体、溶液)的流动规律以及新工艺过程与高分子材料结构性能控制的关系，都是最重要的课题。高分子材料的特点之一是它们的物理力学性能不完全取决于化学结构。化学结构一定的高分子材料可以由于不同的聚集状态(凝聚态结构)而显示出不同性质。在工业上，这不同的凝聚态大多是由于不同的加工成型方法而造成的。因此采用流变本构方程精确地研究和设计成型方法和成型设备，通过在成型过程中对高分子形态的主动控制来获得性能更为优越的新型材料，是高分子工程中的重要热点课题。 要完成这些任务，仅有对高分子熔体和溶液的流动性质粗浅的认识(比如仅仅测量粘度)是不够的。取而代之的是要对大形变下高分子材料的反常的流变性质给出全面的定量的理性描写，要为解决高分子材料合成和加工中出现的流体动力学和应力分析问题提供一种解决问题的手段。目前，高分子流变学的基本原理和方法已深入到高分子科学研究和高分子材料合成和加工工程的各个领域。许多领域中，如高分子材料设计、配方设计、模
一、名词解释 1.药用高分子材料：主要指在药物制剂中应用的高分子辅料及高分子包装材料。 2.药用高分子材料学：主要介绍一般高分子材料的基础理论知识及药剂学中常用的高分子材料的结构、制备、物理化学性质及其功能与应用。 3.药用辅料：在药物制剂中经过合理的安全评价的不包括生理有效成分或前体的组分。广义上指将药理活性物质制备成药物制剂的各种添加剂，若为高分子则称为药用高分子辅料。 4.高分子化合物（高分子）：分子量很高并由多个重复单元以共价键连接所形成的一类化合物。 5.单体：必须含有能使链增长活性中心稳定化的吸电子基团 6.聚合度：大分子重复单元的个数 7.重复单元：重复组成高分子的最小的结构单元。 7.结构单元：聚合物分子结构中出现的以单体结构为基础的原子团 8.均聚物:在合成高分子时,由一种单体成分反应生成的聚合物。 9.共聚物:由两种或多种不同的单体或聚合物反应得到的高分子。 10.高分子链结构：单个高分子链中原子或基团间的几何排列 11.近程结构：单个大分子链结构单元的化学结构和立体化学结构，又叫一次结构或化学结构 12.远程结构：单个分子在整个分子链范围内的空间形态和构象，又叫二次结构 13.聚集态结构：单位体积内许多大分子链之间的排列、堆砌方式，也称三次结构 14.键接顺序：是指高分子链各结构单元相互连接的方式. 15.功能高分子：具有特殊功能与用途但用量不大的精细高分子材料。 16.线型高分子：每个重复单元仅与另外两个单元相连接，形成线性长链分子。 17.支化高分子：当分子内重复单元并不都是线性排列时,在分子链上带有一些长短不一的分枝,这类高分子称为支化高分子 18.支链：支化高分子链上带有的长短不一的分枝称为支链。 19.体型高分子或网状高分子：线型高分子或支化高分子上若干点彼此通过支链或化学键相键接可形成一个三维网状结构的大分子，称为体型高分子或网状高分子。 20.交联：由线型或支链高分子转变成网状高分子的过程叫做交联。 21.端基：高分子链终端的化学基团 22.单键内旋转：高分子主链中的单键可以绕键轴旋转，这种现象称为单键内旋转． 25.玻璃化温度Tg： 27.取向态结构：聚合物在外力作用下,分子链沿外力方向平行排列形成的结构。 31.织态结构：不同聚合物之间或聚合物与其他成分之间的堆砌排列。 32.聚合反应：由低分子单体合成聚合物的反应称为聚合反应。 33.加聚反应：单体经过加成聚合起来的反应称为加聚反应，反应产物称为加聚物。 34.自由基引发剂：是在一定条件下能够分解生成自由基，并能引发单体聚合的化合物。 39.自由基共聚合：共聚物若使用自由基作为聚合的引发剂时，称为自由基共聚合。 40.离子型聚合：链增长活性中心为离子的聚合反应称为离子型聚合。 41.活性链：链活性中心直到单体消耗完仍保持活性称为活性链 开环聚合：环状单体在引发剂或催化剂作用下开环，形成线性聚合物的反应。 42.缩聚反应：是由含有两个或两个以上官能度的单体分子间逐步缩合聚合形成聚合物，同时析出低分子副产物的化学反应。 45.本体聚合：不加其它介质，只有单体本身，在引发剂、热、光等作用下进行的聚合反应。 46.溶液聚合：把单体和引发剂溶在适当溶剂中进行聚合。 47.悬浮聚合：是将不溶于水的单体以小液滴状悬浮在水中进行的聚合。 48.乳液聚合：单体在水介质中，由乳化剂分散成乳液状态进行的聚合。
课程编号：0301106 高分子材料流变学 Polymer Rheology 总学时：32 总学分：2 课程性质：专业基础课 开设学期及周学时分配：第六学期，4或3学时/周 适用专业及层次：高分子材料专业，本科 相关课程：物理化学、高分子物理、橡胶工艺学、聚合反应工程学、塑料成型工艺学 教材：《高分子材料流变学》，吴其晔编著，高等教育出版社，2002年 推荐参考书：《聚合物加工流变学》，C. D. Han著，徐僖、吴大诚译，科学出版社，1985年 一、课程目的及要求 《高分子材料流变学》是高分子材料与工程专业本科生的必修课，课程设置的目的是： 1. 使学生对高分子材料加工过程的基本原理，主要包括高分子材料在成型加工过程中的基本流变学原理有比较全面的认识。结合高分子物理学、材料加工工艺学、加工机械及模具设计，理解高分子材料的流变性质与材料的结构、性能、制品配方、加工工艺条件、加工机械及模具的设计和应用之间的关系。 2. 掌握高分子材料的基本流变学性质；了解研究高分子材料流变性质的基本数学、力学方法；掌握测量、研究高分子材料流变性质、传热性能的基本实验方法和手段。为进一步学习《聚合反应工程学》、《材料成型加工工艺学》、《材料成型加工机械》、《模具设计》等课程打下基础。 3. 讨论典型高分子材料成型加工过程的流变学原理，讨论多相聚合物体系（复合材料）的流变性质，为分析和改进生产工艺、指导配方设计、开发和应用高分子材料提供一定的理论基础。 本大纲遵循基本理论与生产实践相结合，既有一定广度，又有一定深度、新度，材料宏观性质与微观结构分析相结合，唯象性讨论与建立数学模型相结合的特点，按照少而精的原则，设置了七章二十节内容，教学时数为32学时。 二、课程内容及学时分配 （一）课程内容 第一章绪论 §1-1 流变学概念 §1-2 高分子流变学研究的内容和意义 §1-3 高分子液体的奇异流变现象 高粘度与剪切变稀；Weissenberg效应；挤出胀大现象；不稳定流动和熔体破裂现象§1-4 高聚物粘流态特征和流动机理 粘流态特征；流动单元；流动机理，简介“高分子构象改变理论”及“力化学流动图象” 参考书：《高分子材料流变学》第一章，第1，2，3，4节 第二章基本物理量和高分子液体的基本流变性质 §2-1 粘度与法向应力差函数 形变（剪切形变、拉伸形变）； 形变率和速度梯度（剪切速率、拉伸速率）；
1.1.假塑性流体的粘度随应变速率的增大而减小 , ___，用幂律方程表示时，n 小于 1。 2.通常假塑型流体的表观粘度小于（大于、小于、等于）其真实粘度。、 聚合物流体一般属于假塑性流体，粘度随着剪切速率的增大而减小，用幂律方程表示时，则n 小于 1（大于、小于、等于）。 3.聚合物静态粘弹性现象主要表现在蠕变和应力松弛。动态粘弹性现象主要表现为滞后效应。 4.Maxwell模型是一个粘壶和一个弹簧串联而成，适用于模拟线性聚合物的应力松弛过程；Kevlin模型是一个粘壶和一个弹簧并联而成，适用于模拟交联聚合物的蠕变过程。 5.根据时温等效原理，将曲线从高温移至低温，则曲线应在时间轴上右移。 6. 剪切速度梯度方向是垂直于形变方向，拉伸速度梯度方向是平行于形变方向。 7.理想高弹性的主要特点是形变量大、弹性模量小弹性模量随温度上升而增大力学松弛特性和形变过程有明显热效应。 8.理想弹性体的应力取决于应变，理想粘性体的应力取决于应变速度。 9.提高应变速率，会是聚合物材料的脆-韧转变温度升高，拉伸强度升高，冲击强度降低。 10.聚合物样品在拉伸过程中出现细颈是屈服的标志，冷拉过程在微观上是分子链段或结晶取向的过程。 从广义上来说，高分子流变学也就可以定义为研究高分子材料( 流动）和（变形）的科学。 2.高分子的内部结构可以划分为四个层次。分别为一次结构（近程结构），二次结构（构象），三次结构（聚集态结构）和四次结构（织态结构）。 3.高分子材料流动与变形的本质特征是（黏弹性）。 4.我们可以把流体形变类型分为最基本的三类：（拉伸和单向膨胀），( 各向同性的压缩和膨胀），以及（简单剪切和简单剪切流）。 5.黏弹行为从基本类型上说可以分为两类：（线性)和（非线性）。 5.（蠕变)和（应力松弛）是最典型的静态黏弹行为的体现。 6.（分子量）是影响高分子流变性质的最重要的结构因素。 7. 物料在进入毛细管一段距离之后才能得到充分发展，成为稳定的流动。而在出口区附近，由于约束消失，聚合物熔体表现出（挤出胀大）现象，流线又随之发生变化。
【名词解释】 1.假塑性流体：黏度随剪切速率的增加而降低的流体，粘度与剪切应力之间的关系服从幂律定律，其中，非牛顿指数n<1 2.膨胀性流体:黏度随剪切速率的增加而升高的流体，粘度与剪切应力之间的关系服从幂律定律，其中非牛顿指数n>1 3.宾汉流体:指当所受的剪切应力超过临界剪切应力后，才能变形的流动的流体，亦称塑性流体，其中剪切应力与剪切速率服从τ=τy+ηpγ 4.牛顿流体:剪切应力与剪切速率之间呈线性关系，表达式为τ=μγ的流体 5.剪切变稀：粘度随剪切速率升高而降低 6.爬杆效应：当金属杆在盛有高分子流体的容器中旋转，熔体沿杆上爬的现象 7.挤出胀大：聚合物熔体挤出圆形截面的毛细管时，挤出物的直径大于毛细管模直径 8.熔体破裂：聚合物熔体在毛细管中流动时，当剪切速率较高时，聚合物表面出现不规则的现象，如竹节状，鲨鱼皮状 9.无管虹吸：当插入聚合物溶液中的玻璃管，提离液面之上时，聚合物溶液继续沿玻璃管流出的现象 10.第一法向应力差：高聚物熔体流动时，由于弹性行为，受剪切的作用时，产生法向应力差，其中满足关系式N1=τ11?τ22=φ1?γ 212(N1通常为正值) 11.第二法向应力差：同上，关系式为N2=τ22?τ33=φ2?γ 212 (N2通常为负值) 12.本构方程：是一类联系应力张量和应变张量或应变速率张量之间的关系方程，而联系的系数通常是材料的常数。 13.剪切应力：单位面积上的剪切力，τ=FA 14.剪切速率：流体以一定速度沿剪切力方向移动。在黏性阻力和固定壁面阻力的作用力，使相邻液层之间出现速度差,γ=d vdy 也可理解成一定间距的液层，在一定时间内的相对移动距离。 15．高分子流变学：研究高分子液体，主要是指高分子熔体干分子溶液在流动状态下的非线性粘弹性行为。以及这种行为与材料结构及其他物理化学的关系。 16．出膨胀现象：高分子熔体被迫基础口模时，挤出物尺寸大于口模尺寸截面积形象黄也发生变化的现象【简答题】 1.常用的聚合物流变仪有：毛细管型流变仪、转子型流变仪、组合式转矩流变仪、振荡型流变仪、落球式黏度计、其他类型流变仪（拉伸流变仪、缝模流变仪和弯管流变仪等） 2.流变测量的目的：（1）物料的流变学表征。（2）工程的流变学研究和设计。（3）检验和指导流变本构方程理论的发展。 3.高聚物的粘性流动的特点：1. 流动机理是链段相继跃迁2. 流动粘度大，流动困难，而且粘度不是一个常数3. 流动时有构象变化，产生“弹性记忆”效应 4.影响挤出胀大效应的因素：链结构、配方、切变速率与温度稳定挤出的措施：(1) 加料口供料速度必须均匀.（2）减少螺槽深度h和减少机筒与螺杆突棱的间隙δ.（3）调节机头流通系（4）适当降低挤出温度（5）适当增加螺杆长度 5.影响熔体挤出破裂行为因素：一是口模的形状和尺寸；二是挤出成型过程的工艺条件；三是挤出物料的 性质。 6．牛顿流体包括那些类型？（1）宾汉流体（2）假塑性流体（3）胀流形流体（4）触变体（5）震凝体 7．什么是可恢复形变量，它是描述材料什么效应的物理量？ 可恢复性变量表征着液体在形变过程中储存弹性能的大小Sr=Je·σw Je为稳态弹性柔量σw为相应的器壁剪切应力描述材料的粘性和弹性效应 8．分子量大的材料其性能指标往往越高，为什么实际生产中却要适当控制分子量？ 因为在生产中分子量过高，会发生自动加速现象和爆聚现象，会导致聚合物粘度增大，性能下降。还有分子量太大会导致加工性能降低。 入口压力降产生原因？（1）物料从料口进入口模时，熔体粘滞流动流线在入口处产生收敛所引起的能量损失(2)在入口处由于聚合物熔体产生弹性形变，因弹性能的储蓄所造成的能量消耗(3)熔体流经入口处时，由于剪切速率的剧烈增加而引起速度的激烈变化，为达到稳定的流速分布所造成的压力降 9.转子流变仪的类型？（1）锥一板型流变仪(2)平行版型流变仪(3)同轴圆筒形流变仪
流变测量学基础（一） 一、流变学的基本概念 1. 流变学研究内容 流变学—Rheology ，来源于希腊的Rheos=Sream （流动）词语，是Bingham 和Crawford 为了表示液体的流动和固体的变形现象而提出来的概念。流变学主要是研究物质的流动和变形的一门科学。 流动是液体和气体的主要性质之一，流动的难易程度与流体本身的粘性（viscosity ）有关，因此流动也可视为一种非可逆性变形过程。变形是固体的主要性质之一，对某一物体外加压力时，其内部各部分的形状和体积发生变化，即所谓的变形。对固体施加外力，固体内部存在一种与外力相对抗的内力使固体保持原状。此时在单位面积上存在的内力称为内应力（stress ）。对于外部应力而产生的固体的变形，当去除其应力时恢复原状的性质称为弹性（elasticity ）。把这种可逆性变形称为弹性变形（elastic deformation ）,而非可逆性变形称为塑形变形（plastic deformation ）。 实际上，多数物质对外力表现为弹性和粘性双重特性，我们称之为粘弹性，具有这种特性的物质我们称之为粘弹性物质。 2. 剪切应力与剪切速度 观察河道中流水，水流方向一致，但水流速度不同，中心处的水流最快，越靠近河岸的水流越慢。因此在流速不太快时可以将流动着的液体视为由若干互相平行移动的液层所组成的，这种流动方式叫层流，如图1。由于各层的速度不同，便形成速度梯度dv/dh ，或称剪切速率。流动较慢的液层阻滞着流动较快液层的运动，使各液层间产生相对运动的外力叫剪切力，在单位液层面积（A ）上所需施加的这种力称为剪切应力，简称剪切力（Shear Stress ），单位为N ·m -2，即Pa ，以τ表示。剪切速度（Shear Rate ），单位为s -1，以γ? 表示。剪切速率与剪切应力是表征体系流变性质的两个基本参数。 图1 流动时形成的速度梯度
复习名词解释： 1假塑性流体：高聚物熔体流动时，剪切粘度随剪切速率增加而降低的流体。 2等温流动：流体在任何部位的流动状态保持恒定，不随时间变化。 3魏森贝格效应：杆在聚合物熔体中旋转时，熔体沿杆上爬的现彖。 4非牛顿流体：流体流动时，剪切粘度与剪切速率的关系不是线性关系（或不满足牛顿电脑功率）的流体。 5.粘性耗散：高聚物熔体被挤压通过一个很窄的口模时，由于剪切摩擦产生热量的现象。 6入口效应：高聚物熔体被挤压通过一个很窄的口模时，在口模入口处，由于弹性而引起熔体在口模入口处产生压力降。 7魏森贝格效应：当杆在盛有非牛顿流体（聚合物熔体）的容器屮旋转时，流体会沿杆上爬，形成中间高，周边凹的现象。主要是由第二法向应力差效应引起的。 8第一法向应力差：用函数= - ”22二％一厂22 =0龙I，N1称为第一法向应力差，妙| 称为法向应力差系数。 9剪切变稀：高聚物熔体流动时，剪切粘度随剪切速率增加而降低的现象。 10不稳定流动和熔体破裂：高分子熔体从口模挤出时，超过某一临界剪切速率，分别出现波浪形、鲨鱼皮形、竹节形、螺旋形畸变，最后导致无规则的挤出物断裂。 11胀塑性流体：剪切粘度随剪切速率增加而增大的流体。 12.挤出胀大：高分子熔体从口模挤出时，挤出物的直径比毛细管口模直径大的现象。 13.宾汉流体:流体所受的剪切应力超过临界剪切应力后，才能变形流动的流体。 14.剪切变稀:流体的剪切粘度随着剪切速率增加而下降的性质。 15熔体破裂：高分子熔体从口模挤出时，挤出物的表面呈现不规则的现象的现象。 16.零剪切粘度:剪切速率趋向于零时熔体的粘度。 问答题 1阐述非牛顿流体的种类及流动性为的特点。 答：非牛顿流体是指流体的剪切应力和剪切速率之间呈现非线性的曲线关系。其特点是剪切应力和剪切速率不成正比的线性关系。非牛顿流体分为宾汉流体、膨胀性流体和假塑性流体。 宾汉流体在流动前存在一个剪切屈服应力厂。只有当剪切应力高于匚时，流体才开始流 动。因此其流体方程为T-T y=T]p y o 假塑性流体英特征是粘度随剪切速率或剪切应力增大而降低。主要原因是高聚物的细长分子链，在流动方向的取向使粘度下降。剪切速率的增加比剪切应力增加的快。 膨胀性流体特征是粘度随剪切速率或剪切应力增大而升高。剪切速率的增加比剪切应力增加的慢。 对于假塑性流体和膨胀性流体的非牛顿流变行为通常用函数T=Kf来描述。K值越大, 流体越稠。对于假塑性流体〃<1 ,对于膨胀性流体” > I。 2阐述假塑性流体普适曲线特点，并用分子链缠结观点解释。 答：高聚物流动曲线分三个区，在低剪切速率下，粘度为零件切粘度并保持不变，称为第一牛顿流动区。随着剪切速率的增大，粘度随着剪切速率的增加而降低，称为假塑性流动区。当剪切速率继续增大时，粘度保持不变，称为第二牛顿流动区。
高分子材料流变学 Polymer rheology 一、课内学时：40学时；学分：2学分 二、使用专业：高分子化学与物理、材料学、材料加工工程、高分子机械设计 三、预修课程：高分子化学、高分子物理学、高分子结构与性能、高分子加工原理、场论 四、教案目的： 《高分子材料加工原理》是高分子材料与工程专业本科生的必修课，课程设置的目的是： 1．使学生对高分子材料加工过程的基本原理，主要包括高分子材料在成型加工过程中的基本流变学原理和传热学原理有比较全面的认识。结合高分子物理学、材料加工工艺学、加工机械及模具设计，理解高分子材料的流变性质、传热性能与材料的结构、性能、制品配方、加工工艺条件、加工机械及模具的设计和应用之间的关系。 2．掌握高分子材料的基本流变学性质和传热学性能；了解研究高分子材料流变性质、传热性能的基本数学、力学方法；掌握测量、研究高分子材料流变性质、传热性能的基本实验方法和手段。为进一步学习《聚合反应工程学》、《材料成型加工工艺学》、《材料成型加工机械》、《模具设计》等课程打下基础。 3．讨论典型高分子材料成型加工过程的流变学、传热学原理，讨论多相聚合物体系（复合材料）的流变性质和传热性能，为分析和改进生产工艺、指导配方设计、开发和应用高分子材料提供一定的理论基础。 本课程属一门多学科交叉，理论性与实践性均很强的新兴学科，国内目前尚无统一大纲和教材。鉴于目前介绍关于高分子材料传热性能的书籍比较混乱，本大纲暂时先拟定讲授高分子材料流变学的基本内容和要求。以后条件成熟时，再补充高分子材料传热学方面的内容。高分子流变学要求的教案时数为32学时，高分子传热学要求的教案时数为16学时，总计教案时数为48学时。 关于高分子材料流变学部分，本大纲遵循基本理论与生产实践相结合，既有一定广度，又有一定深度、新度，材料宏观性质与微观结构分析相结合，唯象性讨论与建立数学模型相结合的特点，按照少而精的原则，设置了七章二十节内容，教案时数为32学时。 各章节的基本教案要求如下： 第一、二、三章： 1．前三章为本课程学习的重点和基础。 2．要求掌握流变学研究中的基本物理量及基本流变函数。理解高聚物液体的流动机理，理解高聚物
高分子材料流变学 Polｙｍｅr ｒhｅology 一、课内学时:40学时；学分：2学分 二、使用专业:高分子化学与物理、材料学、材料加工工程、高分子机械设计 三、预修课程:高分子化学、高分子物理学、高分子结构与性能、高分子加工原理、场论 四、教学目的: 《高分子材料加工原理》是高分子材料与工程专业本科生的必修课，课程设置的目的是： 1．使学生对高分子材料加工过程的基本原理，主要包括高分子材料在成型加工过程中的基本流变学原理和传热学原理有比较全面的认识。结合高分子物理学、材料加工工艺学、加工机械及模具设计,理解高分子材料的流变性质、传热性能与材料的结构、性能、制品配方、加工工艺条件、加工机械及模具的设计和应用之间的关系。 2．掌握高分子材料的基本流变学性质和传热学性能;了解研究高分子材料流变性质、传热性能的基本数学、力学方法；掌握测量、研究高分子材料流变性质、传热性能的基本实验方法和手段。为进一步学习《聚合反应工程学》、《材料成型加工工艺学》、《材料成型加工机械》、《模具设计》等课程打下基础。 3.讨论典型高分子材料成型加工过程的流变学、传热学原理,讨论多相聚合物体系(复合材料)的流变性质和传热性能,为分析和改进生产工艺、指导配方设计、开发和应用高分子材料提供一定的理论基础。 本课程属一门多学科交叉,理论性与实践性均很强的新兴学科，国内目前尚无统一大纲和教材。鉴于目前介绍关于高分子材料传热性能的书籍比较混乱，本大纲暂时先拟定讲授高分子材料流变学的基本内容和要求。以后条件成熟时，再补充高分子材料传热学方面的内容。高分子流变学要求的教学时数为32学时，高分子传热学要求的教学时数为16学时,总计教学时数为４8学时。 关于高分子材料流变学部分,本大纲遵循基本理论与生产实践相结合，既有一定广度,又有一定深度、新度，材料宏观性质与微观结构分析相结合,唯象性讨论与建立数学模型相结合的特点，按照少而精的原则，设置了七章二十节内容，教学时数为32学时。 各章节的基本教学要求如下： 第一、二、三章： 1．前三章为本课程学习的重点和基础。 2.要求掌握流变学研究中的基本物理量及基本流变函数。理解高聚物液体的流动机理,理解高聚物液体流动时发生剪切变稀、挤出胀大、熔体破裂等奇异流变现象。能用“高分子构象改变理论”说明其奇异
复习课主要内容 1 在工业上获得成功应用的“高分子材料”在概念上要具有哪些方面的特点或要求？（重要）a有一定的力学性能； b兼或同时具有一定的功能特性； c具有一定的可加工性； d市场价值（经济价值）； e环保、节能、安全特征（社会价值）。 要求：可满足生产或生活中的某种需要，并能够参与社会经济发展的循环过程。 2为什么聚合物流体通常被认为是软物质或复杂流体？（理解，不需掌握） 软物质：即复杂流体，主要特征是易形变，弱力引起大形变。聚合物流体同软物质都是多层次多尺度，小刺激产生大变化。 3如何理解“流动”？（重要） 流动：运动单元在外场作用下相对运动并损耗能量。 聚合物流体的流动现象：聚合物流体某尺寸水平上的运动单元在外场作用下相互间产生相对运动并损耗能量的现象。 4 为什么高分子材料往往需要在加工成型过程中对其流动性进行必要的调控？甚至有些高分子材料流动性的调控非常困难以至难以规模化工业生产？（了解） 高分子材料通常不具有所需要的流动性，因此需要对其进行调控以实现材料的工业化生产。而高分子材料不具有所需要的流动的原因有： 1时间尺度不匹配：基于聚合物流体在不同空间结构尺度上的相对运动而形成的聚合物流体流动往往超出高分子材料成型加工生产实际所需要的时间尺度要求，太慢或者太快。 2分子链间的相互作用的影响：影响分子链间的相对运动，影响凝聚态结构及超分子结构的稳定性（破坏或重建）及其不同运动单元的相对运动。 3分子链间相互作用形式：分子链间的相互作用是形成高聚物多姿多彩的凝聚状态的内在原因，是指大分子间存在的形式多样的次价键作用力——分子间作用力，它们具有不同的强度、方向性及对距离和角度的依赖性，是材料结构自组织形成并发生演变的基础；包括：Van de Waals力、氢键及分子间配键作用。 5为满足成型和加工的需要，通常如何获得或调控某些特定的高分子材料的流动性？（没记）a、主要调整温度压力等外在工艺技术条件，包括：Van de Waals力、氢键及分子间配键作用； b、主要对分子结构进行化学改性（如纤维素），或将化学结构控制和工艺技术条件控制相结
名词解释 动态力学性能：材料在交变力场作用下的力学性能。 爬杆现象：法向应力超过了离心力就将流体沿旋转轴向上推。 挤出膨胀：聚合物熔体经口模挤出后，其断面膨胀，大于口模的断面。 无管虹吸：对牛顿型流体，当虹吸管提高到离开液面时，虹吸现象立即终止。对高分子液体，如聚异丁烯的汽油溶液或聚醣在水中的微凝胶体系，当虹吸管升离液面后，杯中的液体仍能源源不断地从虹吸管流出，这种现象称无管虹吸效应。 临界分子量：聚合物的性质随分子量的增加或减少，变化规律发生转折所对应的分子量。蠕变实验：在不同的材料上瞬时地加上一个应力并保持恒定，然后观察各种材料的应变随时间的变化的实验。 应力松弛实验：使材料试样瞬时产生一个应变，保持恒定，然后观察应力随时间的变化的实验。 涂-4杯：国内应用最广泛的一种粘度杯，按GB/T 1723-93设计，适用于测量涂料及其它相关产品的条件粘度。 圆管中的稳定层流：流体仅沿着z轴方向在一根细管中流动，且每个质点的流动速度不随时间变化。 Couette流动：在外圆筒与内圆筒之间环形部分内的流体中的任一质点仅围绕着内外管的轴以角速度ω作圆周运动，没有沿Z或Y方向流动。 锥板流动：发生在一个圆锥与一个圆盘之间，圆盘与平板之间的夹角很小，一般小于4度，在流动中，剪切面为具有相同θ坐标的圆锥面，速度梯度为θ方向，流体流动的方向为ψ方向。 进口效应：由于毛细管很细，压力传感器不能设置在毛细管壁上，它只可设在毛细管进口处的机筒内，这样测得的压力来计算粘度会偏高。 边缘效应：部分转矩被消耗在产生这种在边缘上的复杂流动上而造成的误差。 塑性：某些聚合物流体在受较低应力时像固体一样，只发生弹性形变而不流动，只有当外力超过某个临界值σy（屈服应力）时，它会发生流动，网络被破坏，固体变为液体。 假塑性：粘度随剪切速率的增大而下降的性质。 膨胀性：粘度随剪切速率的增大而增大的性质。 触变性：凝胶结构的形成和破坏的能力。 剪切稀化：粘度随剪切速率的增大而下降的性质。 剪切稠化：粘度随剪切速率的增大而增大的性质。 Bingham塑性：一种线性弹性体，发生的形变γ服从胡克定律。 粘弹性体：材料既有粘性，即应变随时间发展；又具有弹性，即应力除去后应变逐渐减小。粘弹性固体：材料变形时没有发生粘性运动。 粘弹性液体：材料在蠕变时发生了粘性流动。 疲劳断裂：材料在一个应力水平低于其断裂强度的交变应力作用下，经多次循环作用而断裂。蠕变断裂：材料在一个低于其断裂强度的恒定应力的长期作用下发生的断裂。 脆性断裂：材料不发生屈服，断裂前只发生很小的变形，断裂后变形消失。 韧性断裂：超过屈服后发生断裂的现象。 应力软化：超过屈服应力后应力略有下降。 强迫高弹性：由于受外力作用，链段被迫运动产生较大的形变。 冷拉伸：在室温至Tg附近的拉伸。 时温等效：延长松弛时间与升高温度对材料的应力松弛有相同的作用。 熵弹性：理想高弹体的弹性。
一、多项选择（每小题5分，共20分） 1. 高分子熔体弹性的表现主要有：（A B D ） A. 熔体破裂； B. 爬竿效应； C. 剪切变稀； D. 挤出胀大 2. 大分子流动的基本特征为：（A B C ） A. 高分子的流动通过链段的位移而完成； B. 高分子的流动不符合牛顿流体的规律； C. 高分子流动时伴有高弹流变； D. 高分子与小分子的流动活化能数量级相同 3. 一般来说，剪切流动可以分为：（A B ） A. 拖曳流动； B. 压力流动； C. 塑性流动； D. 屈服流动 4. 提高流动稳定性的措施有：（B C ） A. 降低温度； B. 升高温度； C. 降低剪切速率； D. 提高剪切速率 二、辨析（判断正误，并简要给出合理的理由）：（每小题5分，共20分） 1. 柔性高聚物的粘度对温度有较大的敏感性，而刚性高聚物的粘度则对剪切速率有更大的 敏感性。( ) 错，柔性高聚物易于在外力作用下取向，因此对剪切速率更加敏感一些。 2. 要避免HDPE 挤出过程出现熔体破裂，尽量加长口模长度。( ) 对，加长口模长度，可以使弹性效应减弱，有利于降低熔体破裂。 3. 高聚物发生粘性流动时必然伴随有一定量的不可逆的高弹形变。( ) 错，高弹形变是可逆的。 4. 在高聚物成型加工过程中，在分子量相同的情况下，分子量分布比较宽的物料流动性要 好一些。( ) 对，分子量分布宽，低分子量部分起到增塑剂作用。 三、简答（每小题5分，共40分）： 1. 采用不同长径比毛细管测定某高聚物熔体的压力降与切变速率之后，如何对剪切应力和 切变速率进行校正，并阐述对其校正的原因 。 1）剪切应力校正：利用虚拟延长毛细管长度的方式来校正；2）剪切速率校正：非牛顿修正，利用(3n+1)/4n 方式校正。 2. 为了提高聚合物熔体在加工中的粘度的稳定性，对刚性、柔性链聚合物各应严格控制哪 些工艺条件？ 对刚性链，应严格控制加工温度；对柔性链，应严格控制剪切速率。 3. 何为非牛顿指数？刚性和柔性链的聚合物n 值大小如何？ 非牛顿指数指的是假定非牛顿流体流动过程符合幂律方程，从而得到n k γ τ&=关系式，其中n 为非牛顿指数。刚性链的非牛顿指数小于1，但接近于1，而柔性链的非牛顿指数较1小得更多。
中国海洋大学本科生课程大纲 课程属性：公共基础/通识教育/学科基础/专业知识/工作技能，课程性质：必修、选修 一、课程介绍 1.课程描述： 《聚合物流变学基础》是讲授聚合物流动和变形的课程，是材料科学与工程专业和高分子材料与工程专业的专业选修课，是为材料学院培养高质量专业人才服务的。 课程主要涵盖聚合物流变学基础知识、基本理论、流变测量等内容，包括聚合物典型流变特征、聚合物流体的黏性和弹性行为、流变性能的测试方法、基本仪器的构造和原理、聚合物常见的流动方式及其实际应用案例。 “Fundamentals of Polymer Rheology”is a course that teaches polymer flow and deformation. It is an elective course for materials science and Engineering and polymer materials and Engineering majors. It serves to train high-quality professionals for the School of Materials. The course mainly covers basic knowledge, basic theory and rheological measurement of polymers, including typical rheological characteristics of polymers, viscosity and elastic behavior of polymer fluids, testing methods of rheological properties, structure and principle of basic instruments, common flow patterns of polymers and practical application cases. - 1 -
《高分子流变学》 一、简介 高分子流变学是高分子材料及工程专业的重要课程，我专业设此课程为专业选修课。本课程在高分子化学、高分子合成工艺原理、高分子物理以及工程力学等课程的基础上，着重介绍流变学行为额基本原理和高分子材料流动与变形的基本行为，介绍了高分子材料流动变形行为与经典黏性体和弹性体之间的不同之处，深入讨论剪切作用、温度、压力、结构和时间等因素对高分子流变性质的影响，并介绍了流变学的测试原理和基本研究方法。进一步为高分子材料及其制品的设计优化、加工工艺和加工设备的选择改进提供必要的理论依据。 二、 第一章绪论 第一节流变学的发展 一．定义 流变学是研究材料的流动和变形的科学，它是一门介于力学、化学、物理与工程科学之间的新兴交叉学科。 二．流变学产生的简史与发展 流变学的诞生：宾汉（奠基人）与雷诺的故事； 流变学的发展：流变学出现在 20 世纪 20 年代；麦克斯韦的贡献；早期国际流变学发展； 目前关于流变学的研究十分活跃； 流变学应用：流变学与现代工业；流变学与地球科学；流变学与土木工程；三．流变学的研究对象：流动的固体；非牛顿流体。 四．流变学的研究内容：本构方程；力学模型；物理模型。 五．其他流变学技术：磁流变学；电流变学；血液流变学。 第二节高分子流变学概述 一．定义： 高分子材料流变学——研究高分子液体，主要指高分子熔体、高分子溶液，在流动状态下的非线性粘弹行为，以及这种行为与材料结构及其它物理、化学性质的关系。 二．高分子流变学的发展 三．高分子流变学研究内容：结构流变学；加工流变学。 四．高分子流变学研究方法：挤出式流变仪；转动式流变仪；转矩流变仪。 第三节流变学与聚合物工业的关系 一．高分子加工的基本类型 1. 塑料加工：挤出、注塑 2. 纤维加工：口模、拉伸及拉伸粘度 3. 橡胶加工：压延、密炼、挤出 二．基本关系概述 三．在聚合物材料加工中的应用 第四节流变学在化妆品中的应用 第二章线性粘性流动 第一节基本概念 一．流动的类型 1. 层流、湍流