1聚合物流变学复习题参考答案 一、名词解释（任选5小题，每小题2分，共10分）： 1、蠕变：在一定温度下，固定应力，观察应变随时间增大的现象。 应力松弛：在温度和形变保持不变的情况下，高聚物内部的应力随时间而逐渐衰减的现象。 或应力松弛：在一定温度下，固定应变，观察应力随时间衰减的现象. 2.端末效应：流体在管子进口端一定区域内剪切流动与收敛流动会产生较大压力降，消耗于粘性液体流动的摩擦以及大分子流动过程的高弹形变，在聚合物流出管子时，高弹形变恢复引起液流膨胀，管子进口端的压力降和出口端的液流膨胀都是与聚合物液体弹性行为有密切联系的现象。 2、时－温等效原理：升高温度和延长时间对分子运动及高聚物的粘弹行为是等效的，可用一个转换因子αT将某一温度下测定的力学数据变成另一温度下的力学数据。 3、熔体破裂：聚合物熔体在高剪切速率时，液体中的扰动难以抑制并易发展成不稳定流动，引起液流破坏的现象。 挤出胀大：对粘弹性聚合物熔体流出管口时，液流直径增大膨胀的现象。
4、.熔融指数：在标准熔融指数仪中，先将聚合物加热到一定温度，使其完全熔融，然后在一定负荷下将它在固定直径、固定长度的毛细管中挤出，以十分钟内挤出的聚合物的质量克数为该聚合物的熔融指数。 5、非牛顿流体：凡不服从牛顿粘性定律的流体。 牛顿流体：服从牛顿粘性定律的流体。 6、假塑性流体：流动很慢时，剪切粘度保持为常数，而随剪切速率或剪切应力的增大，粘度反常地减少——剪切变稀的流体。 膨胀性流体：剪切速率超过某一个临界值后，剪切粘度随剪切速率增大而增大，呈剪切变稠效应，流体表观“体积”略有膨胀的的流体。 7、粘流活化能：在流动过程中，流动单元（即链段）用于克服位垒，由原位置跃迁到附近“空穴”所需的最小能量。 8、极限粘度η∞：假塑性流体在第二牛顿区所对应的粘度（即在切变速率很高时对应的粘度）。 10、拉伸流动：当粘弹性聚合物熔体从任何形式的管道中流出并受外力拉伸时产生的收敛流动。
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↘
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
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。
高分子流变学复习题参考答案 一、名词解释： 1、蠕变：在一定温度下，固定应力，观察应变随时间增大的现象。 应力松弛：在温度和形变保持不变的情况下，高聚物内部的应力随时间而逐渐衰减的现象。 或应力松弛：在一定温度下，固定应变，观察应力随时间衰减的现象。 2、时－温等效原理：升高温度和延长时间对分子运动及高聚物的粘弹行为是等效的，可用一个转换因子αT将某一温度下测定的力学数据变成另一温度下的力学数据。 3、熔体破裂：聚合物熔体在高剪切速率时，液体中的扰动难以抑制并易发展成不稳定流动，引起液流破坏的现象。 挤出胀大：对粘弹性聚合物熔体流出管口时，液流直径增大膨胀的现象。 4、.熔融指数：在标准熔融指数仪中，先将聚合物加热到一定温度，使其完全熔融，然后在一定负荷下将它在固定直径、固定长度的毛细管中挤出，以十分钟内挤出的聚合物的质量克数为该聚合物的熔融指数。 5、非牛顿流体：凡不服从牛顿粘性定律的流体。 牛顿流体：服从牛顿粘性定律的流体。 6、假塑性流体：流动很慢时，剪切粘度保持为常数，而随剪切速率或剪切应力的增大，粘度反常地减少——剪切变稀的流体。 胀塑性流体：剪切速率超过某一个临界值后，剪切粘度随剪切速率增大而增大，呈剪切变稠效应，流体表观“体积”略有膨胀的的流体。 7、粘流活化能：在流动过程中，流动单元（即链段）用于克服位垒，由原位置跃迁到附近“空穴”所需的最小能量。 8、极限粘度η∞：假塑性流体在第二牛顿区所对应的粘度（即在切变速率很高时对应的粘度）。 9、拉伸流动：当粘弹性聚合物熔体从任何形式的管道中流出并受外力拉伸时产生的收敛流动。 或拉伸流动：质点速度仅沿流动方向发生变化的流动。 剪切流动：质点速度仅沿着与流动方向垂直的方向发生变化的流动。 10、法向分量：作用力的方向与作用面垂直即称为应力的法向分量。 剪切分量：作用力的方向与作用面平行即称为应力的剪切分量。 11、粘流态：是指高分子材料处于流动温度（T f）和分解温度（T d）之间的一种凝聚态。 12、宾汉流体：在流动前存在一个剪切屈服应力σy。只有当外界施加的应力超过屈服应力才开始流动的流体。 13、稳定流动：流动状态不随时间而变化的流动。 14、零切黏度——剪切速率趋向于零时的熔体黏度，即流动曲线的初始斜率。 15、非牛顿性指数：幂律公式 ? =n s Kγ σ中的n是表征流体偏离牛顿流动的程度的指数，
【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。
聚合物流变学的学习与心得体会 通过一学期的聚合物流变学的学习，使我对其有了初步的了解。现在针对平时学习笔记和课后浏览相关书籍所获知识进行总结。 一、聚合物流变学学习内容 1. 流变学中的基本概念 流变学是研究材料的流动和变形规律的科学，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。聚合物随其分子结构、分子量的不同，以及所处温度的不同，可以是流体或固体，它们的流动和变形规律各不相同，也即有不同的流变性能。聚合物流变学是研究聚合物及其熔体的变形和流动特性。 1.1 粘弹性流体特性及材料流变学分类 粘性流体的流动是：变形的时间依赖性；变形不可恢复（外力作的功转化为热能）；变形大，力与变形速率成正比，符合Newton's流动定律。 根据经典流体力学理论，不可压缩理想流体的流动为纯粘性流动，在很小的剪切应力作用下流动立即发生，外力释去后，流动立即停止，但粘性形变不可恢复。切变速率不大时，切应力与切边速率呈线性关系，遵循牛顿粘性定律，且应力与应变本身无关。 流体→流动→粘性→耗散能量→产生永久变形→无记忆效应 根据经典固体力学理论，在极限应力范围内，各向同性的理想弹性固体的形变为瞬时间发生的可逆形变。应力与应变呈线性关系，服从胡克弹性定律，且应力与应变速率无关。 固体→变形→弹性→储存能量→变形可以恢复 聚合物流动时所表现的粘弹性，即有粘性流动又有弹性变形，与通常所说的理想固体的弹性和理想液体的粘性大不相同，也不是二者的简单组合。 材料流变学分类
???? ????????==????=?=???? ????????==∞=????=?=)),,(()),,((.3.2())((.1)),,(.30,(.2))((.1t f t f t f G G G G E γγσγγσγησγγησγγσγγγσγσ&&&&&非线性线性粘弹性流体无粘性 牛顿流体）线性非线性粘性流体流体非线性线性（粘弹性固体） 刚体非线性）为常数、线性（弹性固体固体 其中非牛顿流体 ???粘弹性流体 广义牛顿流体非牛顿流体 基本变形方式：拉伸（压缩）、剪切、膨胀。 1.2 高分子流体的粘弹性 （1）即有粘性流动又有弹性变形，粘弹性流体的流动是一种有可恢复形变的流动，具有流体和固体的双重性质。 （2）应力（应变）取决于应变（应力）历史，而不是应变（应力）的瞬时值。即应力（应变）相应具有时间依赖性。 （3）流动过程中表现出的粘弹性偏离胡克定律和牛顿定律，模量和粘度强烈的依赖于应变（应变速率），应力与应变（速率）之间呈现非线性关系。 1.3 流变学力学基础 聚合物流动时，其内部的应力状态十分复杂，既存在剪切应力，还存在法向应力，各个不同方向上的应力值不等。为了正确的研究聚合物的非线性粘弹性行为，借助于线性理论的概念进行讨论，定义流变学研究中的基本物理量：应力张量、偏应力张量、形变张量、形变率张量、速度梯度张量，以及基本流变学函数：剪切粘度，第一、二法向应力差函数，拉伸粘度等。 （1）应力和应力张量 物体在外力或外力矩作用下会产生流动或形变，同时为抵抗流动或形变，物体内部产生相应的应力。牛顿流体的应力状态比较简单，但是聚合物流动过程中既有粘性形变，又有弹性形变，其内部应力状态相当复杂，要全面描述非牛顿流
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
1. 一个纸杯装满水置于桌面上，用一发子弹从桌面下部射入杯子，并从杯子的水中穿出， 杯子仍位于桌面不动。如果杯里装的是高聚物溶液，这次子弹把杯子打出8米远，解释之。 答：低分子液体如水的松弛时间是非常短的，它比子弹穿过杯子的时间还要短，因而虽然子弹穿过水那一瞬间有黏性摩擦，但它不足以带走杯子。 高分子溶液的松弛时间比水大几个数量级，即聚合物分子链来不及响应，所以子弹将它的动量转换给这个“子弹－液体－杯子”体系，从而子弹把杯子带走了。 2. 已知增塑PVC 的Tg 为338K ，Tf 为418K ，流动活化能 ，433K 时的粘度为5Pa. s 。求此增塑PVC 在338K 和473K 时的粘度各为多大？ 答：在 围，用WLF 经验方程计算 又因为473K>Tf ，故用Arrhenius 公式计算， 或 3. 溶液的粘度随着温度的升高而下降，高分子溶液的特性粘数在不良溶剂中随温度的升高 而升高，怎样理解？ 答：在常温下，线团密度很大时，随温度升高，线团趋向松解，粘度增高。 在良溶剂中线团密度已经很小，随着温度的升高，线团密度变化不大，粘度降低。 4. 为何同一种高聚物分子量分布宽的较分布窄的易于挤出或注射成型? 分子量分布宽的试样的粘度对切变速率更敏感，随切变速率的提高，粘度比窄分布的试样低。 5. 为什么高分子熔体的表观粘度小于其真实粘度？ 6. 不受外力作用时橡皮筋受热伸长；在恒定外力作用下，受热收缩，试用高弹性热力学理论解释. 答：（1）不受外力作用，橡皮筋受热伸长是由于正常的热膨胀现象，本质是分子的热运动。 （2）恒定外力下，受热收缩。分子链被伸长后倾向于收缩卷曲，加热有利于分子运动，从而利于收缩。其弹性主要是由熵变引起的，Tds fdl =-中，f ＝定值，所以，0dl T ds f =-< 即收缩，而且随T 增加，收缩增加。 7、在橡胶下悬一砝码，保持外界不变，升温时会发生什么现象？ 解：橡胶在力（拉力）的作用下产生形变，主要是熵变化，即蜷曲的大分子链在力的作用下变得伸展，构象数减少。熵减少是不稳定的状态，当加热时，有利于单键的旋转，使之因构象数增加而卷曲，所以在保持外界不变时，升温会发生回缩现象。 9. 今有B-S-B 型、S-B-S 型及S-I-S 型、I-S-I 型四种嵌段共聚物, 其中哪些可作热塑性橡胶，为什么? (B 代表丁二烯，I 代表异戊二烯) 答：只有S-B-S 和S-I-S 两种嵌段共聚物可作热塑性橡胶，其余两种不行。因为S-B-S 和S-I-S 的软段在中间，软段的两端固定在玻璃态的聚苯乙烯中，相当于用化学键交联的橡胶，形成了对弹性有贡献的有效链——网链。而B-S-B 和I-S-I 软段在两端，硬段在中间。软段的一端固定在玻璃态的聚苯乙烯中，相当于橡胶链的一端被固定在交联点上，另一端是自由活动的端链，而不是一个交联网。由于端链对弹性没有贡献，所以，这样的嵌段共聚物不能作橡胶使用。 10. 按常识，温度越高，橡皮越软；而平衡高弹性的特点之一却是温度愈高，高弹平衡模量越131.8-?=?mol kJ E ηC T T g g 100+-3015.11)338433(6.51)338433(44.17log 433-=-+--=g T ηη004.123015.115log log =+=g T ηs Pa g T ?=∴1210ηRT E e /0ηηη?=8226.0)43331.81031.8exp()47331.81031.8exp(33)433()473(=????=ηηs Pa ?=?=∴1.48226.05)473(η
聚合物流变学复习题参考答 案2 -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
高分子流变学复习题参考答案 一、名词解释： 1、蠕变：在一定温度下，固定应力，观察应变随时间增大的现象。 应力松弛：在温度和形变保持不变的情况下，高聚物内部的应力随时间而逐渐衰减的现象。 或应力松弛：在一定温度下，固定应变，观察应力随时间衰减的现象。 2、时－温等效原理：升高温度和延长时间对分子运动及高聚物的粘弹行为是等效的，可用一个转换因子αT将某一温度下测定的力学数据变成另一温度下的力学数据。 3、熔体破裂：聚合物熔体在高剪切速率时，液体中的扰动难以抑制并易发展成不稳定流动，引起液流破坏的现象。 挤出胀大：对粘弹性聚合物熔体流出管口时，液流直径增大膨胀的现象。 4、.熔融指数：在标准熔融指数仪中，先将聚合物加热到一定温度，使其完全熔融，然后在一定负荷下将它在固定直径、固定长度的毛细管中挤出，以十分钟内挤出的聚合物的质量克数为该聚合物的熔融指数。 5、非牛顿流体：凡不服从牛顿粘性定律的流体。 牛顿流体：服从牛顿粘性定律的流体。 6、假塑性流体：流动很慢时，剪切粘度保持为常数，而随剪切速率或剪切应力的增大，粘度反常地减少——剪切变稀的流体。 胀塑性流体：剪切速率超过某一个临界值后，剪切粘度随剪切速率增大而增大，呈剪切变稠效应，流体表观“体积”略有膨胀的的流体。 7、粘流活化能：在流动过程中，流动单元（即链段）用于克服位垒，由原位置跃迁到附近“空穴”所需的最小能量。 8、极限粘度η∞：假塑性流体在第二牛顿区所对应的粘度（即在切变速率很高时对应的粘度）。 9、拉伸流动：当粘弹性聚合物熔体从任何形式的管道中流出并受外力拉伸时产生的收敛流动。 或拉伸流动：质点速度仅沿流动方向发生变化的流动。 剪切流动：质点速度仅沿着与流动方向垂直的方向发生变化的流动。 10、法向分量：作用力的方向与作用面垂直即称为应力的法向分量。
研究聚合物流动和变形的科学，是介于力学、化学和工程科学之间的边缘科学，是现代流变学的重要分支。研究聚合物流变学对聚合物的合成、加工、加工机械和模具的设计等均具有重要意义。聚合物流变学是随高分子材料的合成、加工和应用的需要，于50年代发展起来的。在聚合物的聚合阶段，流变学与化学结合在一起；而在以后的阶段，主要是与聚合物加工相结合。聚合物流变学70年代发展较快，在1984年第九届国际流变学会议上总结了最近的研究成果，B.米纳等主编了《流变学进展》一书。 研究方法主要有宏观与微观两种：宏观法即经典的唯象研究方法，是将聚合物看作由连续质点组成，材料性能是位置的连续函数，研究材料的性能是从建立粘弹模型出发,进行应力-应变或应变速率分析。微观法即分子流变学方法，是从分子运动的角度出发，对材料的力学行为和分子运动过程进行相互关联，提出材料结构与宏观流变行为的联系。两种方法结合起来的研究，常取得较好效果。但它们都离不开实验室流变性能的测定。常用的仪器主要有：挤出式流变仪（毛细管流变仪、熔体指数仪）、转动式流变仪（同轴圆筒粘度计、门尼粘度计、锥板式流变仪）、压缩式塑性计、振荡式流变仪、转矩流变仪以及拉伸流变仪等。 研究聚合物流变学的意义在于：①可指导聚合，以制得加工性能优良的聚合物。例如：合成所需分子参数的吹塑用高密度聚乙烯树脂，则所成型的中空制品的冲击强度高，壁厚均匀，外表光滑；增加顺丁橡胶的长支链支化和提高其分子量，可改善它的抗冷流性能，避免生
胶贮存与运输的麻烦。②对评定聚合物的加工性能、分析加工过程、正确选择加工工艺条件、指导配方设计均有重要意义。例如：通过控制冷却水温及其与喷丝孔之间的距离，可解决聚丙烯单丝的不圆度问题；研究顺丁橡胶的流动性，发现它对温度比较敏感，故需严格地控制加工温度。③对设计加工机械和模具有指导作用。例如：应用流变学知识所建立的聚合物在单螺杆中熔化的数学模型，可预测单螺杆塑化挤出机的熔化能力；依据聚合物的流变数据，指导口模的设计，以便挤出光滑的制品和有效地控制制品的尺寸。
第一章 绪 论 1． 流变学概念 流变学——研究材料流动及变形规律的科学。 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。 图1-1 液体流动与固体变形的一般性对比 Newton’s 流动定律 γ ησ 0= 牛顿流体 H ooke’s 弹性定律 εσE = 虎克弹性体 实际材料往往表现出远为复杂的力学性质。如沥青、粘土、橡胶、石油、蛋清、血浆、食品、化工原材料、泥石流、地壳，尤其是形形色色高分子材料和制品，它们既能流动，又能变形；既有粘性，又有弹性；变形中会发生粘性损耗，流动时又有弹性记忆效应，粘弹性结合，流变性并存。
对于这类材料，仅用牛顿流动定律或虎克弹性定律已无法全面描述其复杂力学响应规律，必须发展一门新学科——流变学对其进行研究。 流变性实质——“固-液两相性”，“粘弹性”并存。 这种粘弹性不是小变形下的线性粘弹性，而是材料在大变形、长时间应力作用下呈现的非线性粘弹行为。 流动与变形又是两个紧密相关的概念。在时间长河中，万物皆流，万物皆变。流动可视为广义的变形，而变形也可视为广义的流动。两者的差别主要在于外力作用时间的长短及观察者观察时间的不同。按地质年代计算，坚硬的地壳也在流动，地质学中著名的“板块理论”揭示了亿万年来地球大陆板块的变化和运动。另一方面，如果以极快的速度瞬间打击某种液体时，甚至连水都表现了一定的“反弹性”。 1928年，美国物理化学家E.C.Bingham正式命名“流变学（rheology）”，字头取古希腊哲学家Heraclitus所说的“ ”，意即万物皆流。1929年成立流变学会，创办流变学报（Journal of Rheology），一般将此认为流变学诞生日。 流变学是一门涉及多学科交叉的边缘科学。 高分子材料流变学的研究内容与高分子物理学、高分子化学、高分子材料加工原理、高分子材料工程、连续体力学、非线性传热理论等联系密切；其研究对象的力学、热学性质相当复杂。
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。