高分子材料流变学
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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→“弹性记忆”(如挤出后会有膨胀收缩现象)。
高分子材料流变学第三章
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第三章 非线性粘弹流体的本构方程
1. 本构方程概念
本构方程(constitutive equation),又称状态方程——描述一大类材料所遵循的与材料结构属性相关的力学响应规律的方程。
不同材料以不同本构方程表现其最基本的物性,对高分子材料流变学来讲,寻求能够正确描述高分子液体非线性粘弹响应规律的本构方程无疑为其最重要的中心任务,这也是建立高分子材料流变学理论的基础。
寻求流变本构方程的基本方法大致可分为唯象性方法和分子论方法两种。
唯象性方法,一般不追求材料的微观结构,而是强调实验事实,现象性地推广流体力学、弹性力学、高分子物理学中关于线性粘弹性本构方程的研究结果,直接给出描写非线性粘弹流体应力、应变、应变率间的关系。以本构方程中的参数,如粘度、模量、松弛时间等,表征材料的特性。
分子论方法,重在建立能够描述高分子材料大分子链流动的正确模型,研究微观结构对材料流动性的影响。采用热力学和统计力学方法,将宏观流变性质与分子结构参数(如分子量,分子量分布,链段结构参数等)联系起来。为此首先提出能够描述大分子链运动的正确模型是问题关键。
根据研究对象不同,高分子流变本构方程又分为稀溶液理论及浓厚体系理论,两部分的理论和实验研究工作都取得巨大的进展。有趣的是唯象性方法和分子论方法虽然出发点不同,逻辑推理的思路不尽相同,而最终的结论却十分接近,表明这是一个正确的科学的研究基础。 高分子材料流变学第三章
63 目前关于高分子材料,特别浓厚体系本构方程的研究仍十分活跃。
同时,大量的实验积累着越来越多的数据,它们是检验本构方程优劣的最重要标志。
从形式上分,非线性粘弹流体的本构方程主要分为两大类:速率型(亦称微商型)本构方程和积分型本构方程。
速率型本构方程,方程中包含应力张量或形变速率张量的时间微商,或同时包含这两个微商。
积分型本构方程,利用迭加原理,把应力表示成应变历史上的积分,或者用一系列松弛时间连续分布的模型的迭加来描述材料的非线性粘弹性。积分又分为单重积分或多重积分。
1 高分子材料流变学
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;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#;
3.积分型本构方程#
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 2 方法;Rouse-Zimm模型的显式本构方程;
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*
高分子材料流变学第一章
1 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。
流动→液体→粘性→耗散能量→产生永久形变→无记忆效应→Newton’s定律→时间过程
变形→固体→弹性→贮存能量→形变可以恢复→有记忆效应→Hooke’s定律→瞬时响应
图1-1 液体流动与固体变形的一般性对比
Newton’s流动定律 0 牛顿流体
Hooke’s弹性定律 E 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 高分子材料流变学第一章
2 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。