当前位置：文档之家 › 2流变学

2流变学

  • 格式：ppt
  • 大小：3.54 MB
  • 文档页数：51

下载文档原格式

  / 51

合集下载

流变学2

流变学2

N1


1







2

0
N2


2







2

0
34
法向应力差值的大小是高分子流体弹性效应的量度
N1 >0, N2 <0，|N2| <N1 N1和|N2|都随切变速率的
增加而增加。 N1 ＞0，说明大分子链的
取向引起的拉伸力与流 线平行.
第一、二法向应力差随剪切速率的变化规律
应力的分量用两个下标表示，如τxy ，第一个下标表示该 应力的作用面，第二个下标表示应力的方向。
26
如以矩阵表示，应力张量为：
τx=(τxx, τxy, τxz)
τy=(τyx, τyy, τyz) τz=(τzx, τzy, τzz)
11 12 13
21
22

23

7
1. 应力与应变
当材料受到外力作用而所处的条件使其不能产 生惯性位移，材料的几何形状和尺寸将发生变 化，这种变化就称为应变(strain)。
8
应力（Stress）
单位面积上所受的力来表示受力情况，称之为应力t t＝df/ds
df为作用在表面上 无限小面积ds上的
力 在简单实验中力是均匀的，t＝f/s
5
• 牛顿流体：剪切流动时，内部只有剪切力，无拉 伸压缩应力（正应力）；
• 粘弹性高分子流体：其内部的应力状态十分复杂， 剪切流动时，内部既有剪切力，又有法向应力， 不同法向上的应力值不等 。
• 问题：如何描述同时具有具有剪切和正应力的内 部受力状态？
流变学

流变学的基本概念2

流变学的基本概念2
利用包轴现象可以设计出一种 圆盘挤出机，熔融的物料从加 料口加入，在 旋转流动中沿轴 爬升，而后从轴心处的排料口 排除 ，如左图所示。其优点在 于，制造方便。性能稳定，可 以用作 橡胶加工螺杆挤出机 的 喂料装置，可以提高混合效果 和基础挤出稳定性 。
(2) 剪切变稀现象 (shear thinning)
椭圆管道
锥形口模
? 牛顿流体旋转时的次级流动是离心力造 成的。
? 高分子液体的次级流动方向往往与牛顿 型流体相反，是由粘弹力和惯性力综合 形成的。这种反常的次级流动在流道与 模具设计中十分重要。
(7) 孔压误差和弯流压差
测量流体内压力时， 若压力传感器端面安 装得低于流道壁面， 形成凹槽，则测得的 高分子液体的内压力 将低于压力传感器端 ? 面安装得与流道壁面 相平时测得的压力， 如下图中有ph ? p，这 ? 种压力测量误差称孔 压误差。
牛顿流体
非牛顿流体
法向应力Biblioteka 出口收缩出口胀大挤出胀大现象
?挤出胀大现象产生的原因：其产生的原因也被归结为高分子熔体具有
弹性记忆能力所致，当高分子流体被迫挤出时即想恢复它原来的状态，从而
出现胀大。 当熔体进入口模时，收到强烈的拉伸和剪切形变，其中 拉伸形变属弹性形变，这些形变在口模中只有部分得到松弛，剩余 部分在挤出口模后发生弹性恢复，从而出现挤出胀大现象。
?实验表明，高分子浓溶液和熔体都具有这种性 质，因而能产生稳定的 连续拉伸形变，具有良好 的纺丝和成膜能力。
(6) 各种次级流动
研究表明，高分子液体 在均匀压力梯度下通过 非圆形管道流动时，往 往在主要的纯轴向流动 上，附加出现局部区域 性的环流，称为次级流 动，或二次流动，在通 过截面有变化的流道时 ，有时也发生类似的现 象，甚至更复杂的还有 三次，四次流动。

第2章 流变学的基本概念

第2章 流变学的基本概念

不等于零的应变分量： exy=eyx=
体积的分数变化可用膨胀分数 表示： = exx+eyy+ezz
各向同性膨胀：
=3
拉伸和单向压缩： =- 2
7. 均质性和各向同性 如果材料的性质是均匀的，则材料是均质的。 如果材料的性质与方向无关，则材料是各向同 性的。
伸缩比；3则可表示体积的变化。
在变形很小的情况下，接近1。 =1+ =-1=(a’-a)/a=(b’-b)/b=(c’-c)/c
பைடு நூலகம்
1
是边长变化量与原始长度之比。>0，试样膨 胀；<0，试样被压缩。 体积的变化分数(V/V)，V是原始体积，V
是体积的变化量。
V/V = 3-1=(1+ )3-1=3+32+ 3
V/V=［(1+ )(1- )2-1］
由于<<1， <<1，故：
V/V-2
拉伸时， >1， <1，>0，>0 压缩时， <1， >1，<0，<0 这种变形是均匀的。即试样内任一体积单元 都经历完全相同的变形。 1.3 简单剪切和简单剪切流动 在简单剪切中，试样的变形如图2-3所示。
同样可以证明y轴和z轴方向也是如此。 在各向同性压缩实验中，应力在任何方向都 与作用面垂直而且大小相同，在笛卡尔坐标中：
txx=tyy=tzz=p
应力张量为:
txx t= 0 0 0 tyy 0 0 p 0 0 0 0 p 0 tzz 0 0 p
由于<<1，故： V/V 3 即体积的分数改变(V/V )是边长的分数变化() 的三倍。

第二章 流变学的基本概念

第二章 流变学的基本概念

1. 简单实验
材料是均匀的，各向同性的， 而材料被施加的应力及发生的应变 也是均匀和各向同性的，即应力、 应变与坐标及其方向无关。
1.1 应变
1.1.1 各向同性的压缩和膨胀
y
c
x
b` b a c` a` 各向同性膨胀
z
a`=aα b`=bα c`=c α α-伸缩比
1
a`a b`b c`c 1 a b c 1
变化规律。
log
A t B a C
A：t 随 ↑ 而↑,
支化聚合物。如支化PE
B：t 与 无关: 聚合度低的线性高物:POM、PA-66 C：t 随 ↑而↓,
logŕ
高聚合度PP
拉伸流动中会发生链缠结, 拉伸黏度降低, 同时链伸展并沿 流动方向取向,分子间相互作用增加,流动阻力增加,伸展黏 度变大.拉伸黏度取决于这两个因素哪一个占优势.
t df / ds
df 为作用在表面上无限小面积ds上的力。在简单 实验中由于力是均匀的。 应力——材料单位面积受到的表面力作用
t f /s
1.2.1 应力的分量表示法和应力张量
应力的性质：应力的大小；方向；作用面。 应力的分量第1个下标表示作用面，第2个下 标表示应力的方向。 作用力的方向与作用面垂直，被称为应力的 法向分量, txx、 tyy 、 tzz。 作用力的方向与作用面平行，被称为应力的 切向分量，txy、 tyx 、 tzx、txz、tzy、tyz。
微晶的存在 起到交联的 作用
结晶性线形聚合物的拉伸模量与温度的关系 其形状与无定型聚合物类似，其区别是坪台区较宽，
且平台处的模量较高.
3.5 模量的分子量依赖性
低温时粘弹性主要决定于大分 子链的小链段的运动，而与大 分子链本身的尺寸基本上无关 。在高温时的粘弹性则涉及到 较大链段的复杂运动，以解开 缠绕并最后大分子链间相互滑 移 ，所以分子量对拉伸模量的 影响主要在高弹态和粘流态

流变学 (2)

流变学 (2)

快慢两层之间运动速度不一样，我们就可以找出它 们之间的速度差和距离差，用一个参数表示，就是切 变率。 切变率是液体（血液）内部运动（流动）的重要因 素。一般来讲，切变率高，液体流速快；反之，液 体流速慢。

影响全血粘度的因素 1、红细胞比积 2、红细胞变形性 3、红细胞聚集性
流变学是力学的一个新分支，它主要研究物理材料在
应力、应变、温度湿度、辐射等条件下与时间因素有 关的变形和流动的规律。
流变学研究内容是各种材料的蠕变和应力松弛的现象、
屈服值以及材料的流变模型。 材料的流变性能主要表现在蠕变和应力松弛两个方面。
蠕变是指材料在恒定载荷作料进行蠕变实验一般有对材料试件施加恒定的拉
力，以研究材料的拉伸蠕变性能的拉伸法
应力松弛实验是将材料试件置于应力松弛试验仪上，
使试件产生一恒定的变形，测定试件所受应力随时间 的衰减，研究材料的流变性能，也可以计算材料松弛 时间的频谱。
血液流变学

（二）

血液流变学在临床医学中应用 1、阐明血液流变学异常在某些疾病的病因和发病机制中所起 的作用。 2、根据血液流变学变化预测某些疾病发生的可能性。 3、血液流变学参数可做为某些疾病诊断的辅助指标。 4、观察药物治疗前后血液流变学的变化，评价药物的疗效， 探索新的治疗方法。
的过程。蠕变是由材料的分子和原子结构的重新调整 引起的，这一过程可用延滞时间来表征。当卸去载荷 时，材料的变形部分地回复或完全地回复到起始状态。
材料在恒定应变下，应力随着时间的变化而减小至某
个有限值，这一过程称为应力松弛。
对流体材料一般用粘度计进行试验。比如，通过计算
球体在流体中因自重作用沉落的时间，据以计算牛顿 粘滞系数的落球粘度计法；通过研究的流体在管式粘 度计中流动时，管内两端的压力差和流体的流量，以 求得牛顿粘滞系数和宾厄姆流体屈服值的管式粘度计 法；利用同轴的双层圆柱筒，使外筒产生一定速度的 转动，利用仪器测定内筒的转角，以求得两筒间的流 体的牛顿粘滞系数与转角的关系的转筒法等。

流变学 名词解释 (2)

流变学 名词解释 (2)
。
注射时间：是指注射螺杆或柱塞往模腔内注射最大容量的物料时所需要的最短时间
最小模具厚度：模具最小厚度δmin和模具最大厚度δmax系指动模板闭合后，达到规定锁模力时动模板和定模板间的最小和最大距离
固体流率：速度与垂直于轴线的截面积的乘积
方向角：固体塞运动的绝对速度方向与螺杆轴向垂直面的夹角。
螺纹升角（螺旋角）：在中径圆柱或中径圆锥上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。
几何压缩比：加压前粉末的体积与脱模后压坯的体积之比。
分流型螺杆：分离型螺杆固液相尽早分离，固体尽快熔融，液相低温挤出，保证质量，提高产量。
屏障型螺杆：屏障型螺杆就是在螺杆的某部位设立屏障段，使未熔的固相不能通过，并促使固相熔融的一种螺杆。
注射量：公称注射量是指在对空注射的条件下，注射螺杆或柱塞作一次最大注射行程时，注射装置所能达到的最大注射量
注射压力：注射压力是指注射螺杆或柱塞的端部作用在物料单位面积上的压力
塑化能力：塑化能力模机构对模具所能施加的最大夹紧力
空循环时间：空循环时间是在没有塑化、注射保压、冷却、取出制品等动作的情况下，完成一次动作循环所需要的时间（秒）
螺杆长径比：长度与直径的比值。
比功率消耗：每挤出一公斤物料或制品所消耗的功率比流率 每转的流量表示。

化工原理名词解释

化工原理名词解释

化工原理名词解释化工原理是指在化学工程领域中所涉及的基本概念和原理。

在化工生产过程中，涉及到了许多复杂的化学反应、物质转化和能量转移等过程，而化工原理正是用来解释和描述这些过程的基本概念和原理。

下面将对一些常见的化工原理名词进行解释。

1. 化学反应速率。

化学反应速率是指单位时间内反应物消耗或生成物产生的量。

在化学反应中，反应速率受到许多因素的影响，包括温度、浓度、催化剂等。

化学反应速率的研究对于控制化工生产过程、提高反应效率具有重要意义。

2. 流变学。

流变学是研究物质变形和流动规律的学科。

在化工生产中，许多物质在加工过程中会发生变形和流动，而流变学的理论可以帮助我们理解和控制这些过程。

例如，通过流变学的研究可以确定塑料的加工温度和压力，从而保证产品的质量。

3. 质量平衡。

质量平衡是化工生产过程中一个非常重要的概念，它要求在任何闭合系统中，物质的质量在反应或转化过程中不会净增加或减少。

质量平衡原理被广泛应用于化工生产中，例如在化工反应器中，通过对反应物和生成物的质量平衡分析，可以确定最优的操作条件和反应路径。

4. 热力学。

热力学是研究能量转化和传递规律的学科。

在化工生产中，许多过程涉及到能量的转化和传递，而热力学的原理可以帮助我们理解和控制这些过程。

例如，在化工反应中，热力学的原理可以帮助我们确定反应的放热或吸热特性，从而选择合适的反应条件和设备。

5. 分离工艺。

分离工艺是指将混合物中的组分分离出来的过程。

在化工生产中，许多原材料和产品都是复杂的混合物，而分离工艺的原理可以帮助我们选择合适的分离方法，提高产品的纯度和收率。

常见的分离工艺包括蒸馏、结晶、萃取等。

6. 反应工程。

反应工程是研究化学反应过程的工程学科。

在化工生产中，许多产品都是通过化学反应得到的，而反应工程的原理可以帮助我们设计和优化反应设备，提高产品的产率和质量。

反应工程涉及到反应动力学、传质传热等多个方面的知识。

7. 控制工程。

控制工程是研究控制系统设计和运行原理的学科。

流变学-Polymer Rheology-2

流变学-Polymer Rheology-2

2 聚合物熔体的基本流变性能
（3）等温流动和非等温流动 • 等温流动是指流体各处温度保持不变情况下 的流动。在此情况下，流体与外界可以进行热量 传递，但传入和输出热量应保持相等。 • 在塑料成型的实际条件下，高聚物熔体的流 动一般均呈现非等温状态。一方面是由于成型工 艺有要求将流程各区域控制在不同的温度下；另 一方面，是粘性流动过程中有生热和热效应，使 流体在流道径向和轴向存在一定的温度差。
2 聚合物熔体的基本流变性能
P Pen Pdi Pex
• ΔPen由三部分原因造成：1）进入口模时， 由于熔体粘滞流动线在入口处产生收敛所 引起的能量损失，从而所造成的压力降； • 2）在入口处有高聚物熔体产生弹性变形， 造成的压力降； • 3）流经入口处，由于剪切速率的剧烈增加 引起流体流动骤变，为达到稳定的流速分 布而造成的压力降。
a k
1 m 1 m m

2.1.6 假塑性流体的流动曲线
2 聚合物熔体的基本流变性能
2 聚合物熔体的基本流变性能
• 2.2 影响剪切粘度的因素 • 2.2.1 链结构 • （1）极性 • 极性聚合物的分子间作用力比非极性 聚合物的大，流动性差。 • （2）分子量 • 分子量越大，分子间力越大，粘度就 大，可塑性小，流动性就差。
2 聚合物熔体的基本流变性能
（4）一维流动、二维流动和三维流动 • 一维流动：流体内质点的速度仅在一个方 向上变化。 • 二维流动：流道截面上各点的速度需要两 个垂直于流动方向的坐标表示。 • 三维流动：流体在截面变化的通道中流动， 其质点速度不仅沿通道截面的纵横两个方 向变化，而且也沿主流动方向变化，流体 的速度要用三个相互垂直的坐标表示。
• 图2.4-1 聚合物熔体和浓溶液的爬竿现象

第二章 流变学的基本概念03

第二章 流变学的基本概念03

第二不变量
& & &i j
& & & & & & & & & & & & = exx exx + exy e yx + exz ezx + e yx exy + e yy e yy + e yz ezy & & & & & & + ezxexz + ezy e yz + ezz ezz
A0
u y u x u z exx = = e yy = = ezz = =ε x y z 1 u x u y exy = e yx = y + x = exz = ezx = e yz = ezy = 0 2
简单剪切simple shear
A0
F θ
F
1 u x u y 1 = γ exy = e yx = + y 2 2 x
v x v y & & = γ& exy = e yx = + y x
& = 2γ& 2 I2
2.4 本构方程和材料函数
连续性方程 运动方程 能量方程
本构方程 材料函数
作业
1. 何为应变张量？ 2. 何为应变速率张量？ 3. 推导三类基本类型流体的应变张量？
Strain (应变 应变) 应变
Shear strain
剪切应变
dx γ= dy
F
dx v+dv v A dy F
Shear rate
切变速率
dγ dv γ& = = dt dy

第二章 流变学基本概念

第二章 流变学基本概念

剪切应变变形
应变 =

位移 间隙
剪切应变通常简称为应变 应变没有单位。因此人们采用 ‘% strain’ 或 ‘millistrain’ 采用应变的原因是它与几何形状无关
剪切应力

施加在单位面积上的力称为剪切应力
力 面积
=
N m2
1 N/m2 = 1 Pa
粘性流动

如果立方体是粘性液体，当我们施加一个力时，我们就 得到一个恒定的流动而不是一个形变 这个流动能够描述为应变随时间变化的函数关系
第三不变量:
2.4本构方程
本构方程又称流变状态方程，是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常数，如粘 度、模量等. 从理论上讲：建立流体的本构方程是流变学最重要的任务，是将 计算方法引入流变学的关键。寻找合适的本构方程至今仍然是流 变学领域研究的一个热点。 从工程上讲：它是高分子加工过程复杂流动问题的工程分析基础。
单元表面作用力
图2-4中δS 是截面积，δF是作用力，v为法向单位矢量。P点应力σ的定义
2.3.1 应力张量
力：F 三个相互垂直面 力分解：F1， F2， F3 引入微元面和dS
得应力：T1，T2，T3
符号说明：
Txx 、 Tyy 、 Tzz 它们分别垂直于 x 、 y 、 z 轴垂直 的平面上称为法向应力分量。 Txy 、 Tyz 、 Txz 、 Tzx 、 Tyz 、 Tzy 均为某一平面上 平行的切应力方向， 第一个下标表示该分量作
Force, F
Constant velocity, v化速率称为剪切应变速率 （shear strain rate）或剪切速率（SHEAR RATE ）

第二章 流变学基本概念

第二章 流变学基本概念

H
剪切应变变形
在上端面施加一个力，该力就产生一个形变 Force, F
剪切应变变形
在上端面施加一个力，该力就产生一个形变 Force, F
剪切应变变形
在上端面施加一个力，该力就产生一个形变 Force, F
剪切应变变形
在上端面施加一个力，该力就产生一个形变 du Force, F
h
（剪切应变）Shear Strain = du / h
可将应力张量T分解为两部分，一是和.流体的形变有关 的动力学应力τ ，也称为偏应力张量，另一部分是张量 的各向同性部分。那么应力张量T可以写为:
当i=j时，应力分量就是法向应力，其他分量叫做剪切应力。
拉伸实验
各向同性的压缩 Tn=-nP
式中，P为压力，它是正的，所以在式前加上负号，表示Tn的方向与n相 反，是内向的。流体静止时内部的接触力就属于这种性质，所以各向同 性的应力有时也称作流体静压力(hydrostatic stress)。面体被流体包 围并处于平衡时其内部的应力也是各向同性的。
2.1 流体变形的基本类型
流体变形的分类：
原边长：l, m, n
拉伸和单向膨胀
各向同性的压缩和膨胀 简单剪切和简单剪切流
拉伸后：l‘, m’, n‘
l‘=λl m’ =μλ
n‘=μn
λ为伸长比
V/V0=λμ2 V:流体元变形后体积 V0：初始体积
简单剪切和简单剪切流
剪切应变变形
想象一个放置在固定面上的类似橡胶状材料的立方体
换句话说，在y面上施加一个剪切应力 Tyx时，必定随之施加一个作用于x面上 的大小相同的剪切应力Txy，才能使试样 保持平衡。因此，在简单剪切实验中， 应力张为:
2.3.2 应变张量

流变学实验-2-流变仪测动态粘度

流变学实验-2-流变仪测动态粘度
以得到的信息包括：
1与分子量密切相关的粘度数据；
2从分子量数据和分子量分布，可以检测到长支链的含量；
3零剪切粘度0可以从损耗模量G'求得，平衡可恢复柔量Je0可从储能模量G求得，平均松弛时 间入r可从Je°和0的乘积求得。
图4一种窄分子量分布的聚苯乙烯(分子量(MW)=170000)的动态频率扫描曲线
力间的关系。旋转流变仪是现代流变仪中的重要组成部分，它们依靠旋转运动来产生简单剪切流动，
可以用来快速确定材料的粘性、弹性等各方面的流变性能。
旋转流变仪一般是通过一对夹具的相对运动来产生流动的。引入流动的方法有两种：一种是驱
动一个夹具，测量产生的力矩，这种方法最早是由Couette在1888年提出的，也称为应变控制型，
聚合物熔体动态粘度的测试
胡圣飞编
实验目的
1•了解旋转流变仪的基本结构、工作原理。
2•掌握采用旋转流变仪测量聚合物的动态粘度的方法。
实验仪器
TA旋转流变仪（型号：DHR-2）、强制空气加热炉（ETC、空气压缩机、循环泵槽铜铲、铜刷
三实验材料
高密度聚乙烯圆片（直径2.5mm,厚度1-2mm）
四实验原理
聚合物受外力作用时，会发生流动与变形，产生内应力。流变学所研究的就是流动、变形与应
即控制施加的应变，测量产生的应力；另一种是施加一定的力矩， 测量产生的旋转速度，它是由Searle于1912年提出的，也称为应力控制型，即控制世界的应力，测量产生的应变。实际用于粘度等流变
性能测量的几何结构有同轴圆筒（Couette）（见图1）、锥板（见图2）和平行板（见图3）等。本实验 主要介绍平行板结构的基本工作原理。
动频率扫描可以用来分析材料的时间依赖行为。图4显示了一种窄分子量分布的聚苯乙烯的

第二章 流变学的基本概念2

第二章 流变学的基本概念2



(9) 触变性和震凝性
触变性（thixotropic）和震凝性（rheopectic）指在等温条件下，某 些液体的流动粘度随外力作用时间的长短发生变化的性质。粘度变 小的称触变性，变大的称震凝性，或称反触变性。
触变性: 一些高分子胶冻/高浓度的聚合 物溶液/一些填充高分子体系如炭黑混炼橡 胶。可怕的沼泽地也可归于触变性流体。 震凝性: 适当调和的淀粉糊/工业用混凝 土浆/某些相容性差的高分子填充体系等。
ω
ω
法向 应力
牛顿流体
非牛顿流体
粘弹性体的这种爬杆效应就称为 “爬杆效应”或Weissenberg效应 或“包轴效应”
Weissenberg效应产生的原因：高分子液体是一种具有弹性的液体，当在 外力作用下旋转流动时，具有弹性的大分子链会沿着圆周方向取向和形变 拉伸，从而产生一种朝向轴心的压力（法向应力），迫使液体沿棒爬升。

(8) 湍流减阻效应

在高速的管道湍流中，若加入少许高分子物质，如聚氧化 乙烯（PEOX），聚丙烯酰胺（PAAm），则管道阻力将大 为减少，又称Toms效应。 机理目前尚不完全清楚，但肯定与高分子长链柔性分子的 拉伸特性有关。具有弹性的大分子链的取向改变管流内部 的湍流结构，使流动阻力大大减少。 石油开采、输运、抽水灌溉、循环水等工农业生产中具有 重要意义。
第二章 流变学的基本概念2 高分子材料典型流变学行为
高分子流变学
研究高分子材料的流动与变形
高分子材料典型的流变学行为
(1) 魏森贝格效应 (Weissenberg )
1944年Weissenberg在英国伦敦帝国学院，公 开表演了一个有趣的实验：在一只有黏弹性流 体（非牛顿流体的一种）的烧杯里，旋转实验 杆。对于牛顿流体，由于离心力的作用，液面 将呈凹形；而对于黏弹性流体(非牛顿流体)， 却向杯中心流动，并沿杆向上爬，液面变成凸 形，甚至在实验杆旋转速度很低时，也可以观 察到这一现象。

第二章 流变学的基本概念01

第二章 流变学的基本概念01
First Normal Force Difference 第一法向应力差） （第一法向应力差）: Ν1 = δ11-δ22 δ Second Normal Force Difference 第二法向应力差） （第二法向应力差）:
δ22
F
x2
δ11
x1 x3
N2 = δ22-δ33 δ
p= 3
δ33
f ∝ v2
4 3 dv f 2 f1 = πr ρ s 3 dt
4 3 πr ( ρ s ρ ) g 3
２fr= 6πηrv
1
Falling Ball
When the velocity is constant:
f 2 f1 = 0
2 gr 2 ( ρ s ρ )t η= 9h
v
Advantages and Disadvantages
（屈服点） （清漆） （涂料）
Falling ball viscometer
Method:
Measuring the falling time of a ball in the liquid
γ& < 10 2 s 1
无法给出
屈服点
η ~ γ&
Heater
Falling ball viscometer
Stress tensor for static liquid
(静态流体的应力张量 静态流体的应力张量) 静态流体的应力张量
δ11 δ22 δ33 P
δ11=δ22=δ33=-p δ δ δij=0 (i≠j) ≠
P P
0 p 0 0 p 0 δ ij = 0 0 p
Hydrostatic and Deviatoric Stress

流变学实验2流变仪测动态粘度

流变学实验2流变仪测动态粘度

聚合物熔体动态粘度的测试胡圣飞编一实验目的1．了解旋转流变仪的基本结构、工作原理。

2．掌握采用旋转流变仪测量聚合物的动态粘度的方法。

二实验仪器TA旋转流变仪（型号：DHR-2）、强制空气加热炉（ETC）、空气压缩机、循环泵槽铜铲、铜刷三实验材料高密度聚乙烯圆片（直径2.5mm，厚度1-2mm）四实验原理聚合物受外力作用时，会发生流动与变形，产生内应力。

流变学所研究的就是流动、变形与应力间的关系。

旋转流变仪是现代流变仪中的重要组成部分，它们依靠旋转运动来产生简单剪切流动，可以用来快速确定材料的粘性、弹性等各方面的流变性能。

旋转流变仪一般是通过一对夹具的相对运动来产生流动的。

引入流动的方法有两种：一种是驱动一个夹具，测量产生的力矩，这种方法最早是由Couette在1888年提出的，也称为应变控制型，即控制施加的应变，测量产生的应力；另一种是施加一定的力矩，测量产生的旋转速度，它是由Searle 于1912年提出的，也称为应力控制型，即控制世界的应力，测量产生的应变。

实际用于粘度等流变性能测量的几何结构有同轴圆筒（Couette）(见图1)、锥板(见图2)和平行板(见图3)等。

本实验主要介绍平行板结构的基本工作原理。

图1 同轴圆筒结构示意图图2 锥板结构示意图图3 平行板结构示意图平行板主要用来测量熔体流变性能。

平行板主要的优点在于（Collyer et al. 1988，Macosko 1994）：①平行板间的距离可以调节到很小。

小的间距抑制了二次流动，减少了惯性矫正，并通过更好的传热减少了热效应。

综合这些因素使得平行板结构可以在更高的剪切速率下使用。

②平行板结构可以更方便地安装光学设备和施加电磁场。

③在一些研究中，剪切速率是一个重要的独立变量。

平行板中剪切速率沿径向的分布可以使剪切速率的作用在同一个样品中得到表现。

④对于填充体系，板间距可以根据填料的大小进行调整。

因此平行板更适用于测量聚合物共混物和多相聚合物体系(复合物和共混物)的流变性能。

第2章 流变学理论基础

第2章 流变学理论基础

2.2.2 聚合物的可模塑性
聚合物在温度和压力作用下发生形变并在模 具型腔中模制成型的能力，称为可模塑性。
注射、挤出、模压等成型方法对聚合物的可模 塑性要求是：能充满模具型腔获得制品所需尺 寸精度，有一定的密实度，满足制品合格的使 用性能等。
可模塑性主要取决于聚合物本身的属性(如流变 性、热性能、物理力学性能以及热固性塑料的 化学反应性能等)，工艺因素(温度、压力、成 型周期等)以及模具的结构尺寸。
剪切应力：τ 拉伸应力：σ 流体静压力：P
材料受力后产生的形变和尺寸改变（即几何形状的改变） 称为应变γ。
在上述三种应力作用下的应变相应为简单的剪切、 简单的拉伸和流体静压力的均匀压缩。
聚合物加工时受到剪切力作用产生的流动称为剪 切流动。如：聚合物在挤出机、口模、注射机、 喷嘴、流道等中的流动。
聚合物在加工过程中受到拉应力作用引起的流动称 为拉伸流动。如：拉幅生产薄膜、吹塑薄膜等。
What are you doing?
Waiting for ketchup
填充高分子体系出现屈服现象的原因可归结为：当 填料份数足够高时，填料在体系内形成某种三维结 构。如CaCO3形成堆砌结构，而碳黑则因与橡胶大 分子链间有强烈物理交换作用，形成类交联网络结 构。这些结构具有一定强度，在低外力下是稳定的， 外部作用力只有大到能够破坏这些结构时，物料才 能流动。
聚合物的可模塑性通常用下图所示的螺旋流动试验来判 断。
聚合物熔体在注射压力作用下，由阿基米德螺旋形槽的 模具的中部进入，经流动而逐渐冷却硬化为螺旋线．以 螺旋线的长度来判断聚合物流动件的优劣。
聚合物的可模塑性(即L的长度)与加工条件ΔP/ Δt有关，也与聚合物的流变性、热性能ρΔH／ λη有关，还与螺槽的截面尺寸、形状(cd2)有关， 螺旋线愈长．聚合物的流动性愈好。
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
重力：w
d 3
6 d 3 浮力：F r浆 6 摩擦力：f d 2 s 100d r岩 r浆 6
r岩
要悬浮住固体颗粒 f w F 则： s
五、视粘度和剪切稀释性
1．表观粘度（Apparent Viscosity）（AV） • (1) 定义：某一流速梯度下的剪切应力与相应的流 速梯度的比值，即
k：稠度系数 n:流性指数

1 2
（1）能适应低速和中等时 （1）对高剪速的情况 情况，准确 不能真实反映 （2）调节n、k方便 （2）现场计算复杂
1 2

1
2
卡森
：卡森视粘度
dv 2 2 dx
1
（1）利用 可影响钻速 （2）利用 可看出悬浮岩 （1）计算复杂 c （2）单位换算麻烦 屑能力
dv dx A dv dx B dv dx C tg A
A B C
C B
tg B
C B A
tg C
A
泥浆的表观粘度随速 梯的增大而降低，这 种特性称为液体的 “剪切稀释性”。
1 2
D1 D2
由 c 0.511 得 s
0.5111 2 Pa s D2 D1
• API规定在
s
300转
分
和600转
分两大速梯下测定
s、 0 值。
0.511600 300 1000 1022 511
600 300
2
r1
r r2
dr M 3 2hd r r2 2 dr 两边积分 M 3 2hd r1 0 r 2 2 M r2 r1 得 2 4hr r2 1



M r2 r1 2 4hr1 r2
2 2


作用在内筒上的总力矩
M r s 2r1 h
： 近似水眼粘度
c ：卡森动切力
四、泥浆的静切力与触变性
• (一) 静切力（Gel strengtu）
——反映静置情况下的凝胶结构强度。
• (二) 触变性
——泥浆的静切力随搅拌后的静置时间的特征。
泥浆触变性的表示： 常用：初切——静置10秒(或1分钟）的静切力 终切——静置10分钟的静切力
0.511600 300 D600 D300
m pa s
600 s D60
0
0.511600 300 0.511 600 D600 D600 D300
0.511600 2600 300 0.511300 600 300
dv
dx
2．剪切稀释性 ——表观粘度随速梯的增大而降低的特性。 • 原因：泥浆内部网架结构拆散，结构摩阻降低 和形状不规则的粒子沿流线方向转向，变形等 使流动阻力降低。 • 恒量方法：用动塑比 评价剪切稀释性的好 坏。 表观粘度包括塑性粘度和结构粘度两部分 大。表示结构粘度占的比例大。随着速梯增加 结构拆散，下降。
§2—3 钻井液流变性
一、钻井液流动特点
紊流区 层流区
0
不完全层 流过渡区
s
dv dx
塞流区 不流区
二、有关钻井液流变性模式方程
(一)宾汉模式表达式
dv 0 dx
式中： 0 ——动切应力 单位pa s——塑性粘度 单位 pa.s (m pa.s)
1．流变参数，意义影响因素及调节
dv
单位：PaS(帕.秒) • 六、流变曲线 • ——剪切应力与速梯之间变化规律的曲线。
dx


dv dx

tg

dv
dx
§2—2 液体的基本流型
dv
膨胀型 牛顿型 假塑型 塑性型
dx

四种基本流型
一、牛顿流型
• 1．流变曲线为过原点的直线 • 2．只要施加很小的切应力，就能发生流变。 • 3．牛顿粘度为一常数。
4 阻力： s dL
pi
pi

d2
• 使泥浆流动的动力需克服阻力 故：

4 4L Pi s d d 2 s dL
p0

D 4
2 0
Di
2

s
D0 Di L
4L 则：P0 s D0 Di 开泵泵压：p p 0 pi 1 1 4 L D D d s i 0 从上式可看出开泵的泵压与静切力成正比静切力越大，开泵的
§2—1 液体流动的基本概念
• 一、流变性 指液体在外力的作用下流动和变形的特性。 • 二、流速梯度 垂直流速方向上单位距离内的流速增量。 • 三、牛顿内摩擦定律
• 四、剪切应力（） 相邻两液层间单位面积上的 内摩擦力，单位： Pa（帕）
d dx
• 五、粘度 单位速梯的剪切应力。
故
m r2 r1
2


2
2a 60 2 2 m 15 r2 r1 2r1h r2 2 N 4hr r2 1
2 2
N


m 2 dv 2r1 h 2 2 dx m 15 r2 r1 2 2r1 h r2 2 N



15 r2 r1
2
M m
式中： 刻度盘扭转格数
M 每格转距值
2 弧度 将角速度化成 N 秒 60 其中：N 转 分

令
M m 2 2 2r1 h 2r1 h
m c(一定粘度计类型、 为常数) C 2 2r1 h dv dx
故 c 由
（二）指数模式与n、K 1．指数模式 n
dv K dx
式中：n——流变指数（无因次） K——稠度系数 单位Pa.sn 2 .流变参数n、k的意义，影响因素及调节 (1) 流性指数（n） ——反映流体的非牛顿性程度。 n值范围为0<n<1 (2) 稠度系数（k） ——反映流体的稀稠程度 (3) n.、k的调节
下降到4.75m/h.
三、3种模式的优缺点
模式 数字表达式
0 s
dv dx
速梯
优点
（1）适用于中等剪切速率 （2）利用 s 可直观看出固
缺点 不能及时反映环空和钻 头处情况

s
：剪切应力； 0 屈服值 塑性粘度；dv
dx
n
相 （3）计算简单现场易行
指数
dv k dx
二、塑性型流型
• 1．流变曲线不通过原点 s • 2．施加的切应力必须超过某一最低值（）之后才能流动。 • 3．当时，粘度随切应力的增大而降低，继续增大切应力， 粘度不随切应力变化。 • 4．塑性流型流变曲线直线段可用直线方程描述，
dv 0 s dx
宾汉公式
三、假塑性流型 • 特点： • 1．流变曲线是通过原点并凸向切力轴的曲线. • 2．施加很小切应力就能发生流动, 没有静切力。 • 3．它的粘度随剪切应力增大而降低，流动特性服 从指数定律。 dv n k( ) dx 四、膨胀流型 • 特点： • 1．流变曲线是通过原点并凹向切力轴的曲线。 • 2．粘度随切应力的增大而增高，静止恢复原状， 没有静切力。
泥浆触变性有四种典型情况
• Ⅰ较快的强凝胶 • Ⅱ较慢的强凝胶
• Ⅲ较快的弱凝胶
• Ⅳ较慢的弱凝胶
钻井工艺要求泥浆具有良好的触变性。即在泥浆停止循环 时。泥浆的静切力较快地增大到适当值，悬浮岩屑，而最终切 力不能过大。不致于静置后开泵泵压过高。
• • • •
例1：计算开泵的泵压 设：开泵时钻具内的压降为Pi 环空的压降为P0 则：对于钻具内的动力
1．流变参数的确定
（1）s、 0和 的确定
由宾汉模式 0 s dv dx 如果在两个不同速梯 1和D2下分别测出 1和 2， D 1 0 s D1 则 2 0 s D2 解方程组得 1 2 s D1 D2 s

dx
dV dX
2. 卡森模式描述流变曲线的特征
(1) 卡森流变参数的意义，影响因素
c ①卡森屈服值（）
——反映泥浆网架结构强度。 影响因素：与 0 相同
②极限高剪粘度（ ）
——反映泥浆的纯内摩擦力。
是影响机械钻速的重要因素，如现场实验结果由
2.73mpa.s升高到13.67 mpa.s，机械钻速有6.86m/h
0 s
例：
泥浆1 s 10m P s a 泥浆2
0 5Pa 0 1.5Pa
dv 当速梯为 3000 1时 秒 dx 5 1 0.01 0.0105Pa s 3000 1.5 2 0.0135 0.014Pa s 3000
s 0.0135 P s m a
• (2) 含义
对于塑性流体
dv 0 s dx 0

dv dx
等式两边同用去除
则
dv ，则 dx


dv 定义为结构粘度， dx
dv dx

0
dv dx
s
塑 结构
比较A、B、C三点速梯下的表观粘度
A A B B C C
§2—4 泥浆流变性的测量
一、漏斗粘度计 1．结构：组要由一个漏斗和量杯组成 2．原理 测量一足量的泥浆流出 漏斗所需要时间，用秒表 示，泥浆粘度大，流速慢 。流出时间长。 3．局限性 (1) 反映泥浆的总粘滞 性，测出的是表观粘度。 (2) 测不出 和 s 。
二、旋转粘度计
1.结构 旋转粘度计的测 试执行机构主要由 电动机带动的外筒 和由扭簧固定的带 有刻度盘的内筒等 部件组成。