流变学1
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转矩流变试验胡圣飞编一、试验原理及目的高分子材料的成型过程,如塑料的压制、压延、挤出、注射等工艺,化纤抽丝,橡胶加工等过程,都是利用高分子材料熔体进行的。
熔体受力作用,不但表现有流动和变形、而且这种流动和变形行为强烈地依赖于材料结构和外界条件,高分子材料的这种性质称为流变行为(即流变性)。
测定高聚物熔体流变性质,根据施力方式不同,有多种类型的仪器,转矩流变仪是其中的一种。
它由微机控制系统、混合装置(挤出机、混炼器)等组成。
测量时,测试物料放入混合装置中,动力系统驱使混合装置的混合元件(螺杆、转子)转动,微处理机按照测试条件给予给定值、保证转矩流变仪在实验控制条件下工作。
物料受混合元件的混炼、剪切作用以及摩擦热、外部加热作用,发生一系列的物理、化学变化。
在不同的变化状态下,测试出物料对转动元件产生的阻力转矩、物料热量、压力等参数。
其后,微处理机再将物料的时间、转矩、熔体温度、熔体压力、转速、流速等测量数据进行处理,得出图、表形式的实验结果。
利用转矩流变仪不同的转子结构、螺杆数、螺杆结构、挤出模具以及辅机,可以测量高分子材料在凝胶、熔融、交联、固化、发泡、分解等作用状态下的转矩—温度时间曲线,表观粘度—剪切应力(或剪切速率)曲线,了解成型加工过程中的流变行为及其规律。
还可以对不同塑料的挤出成型过程进行研究,探索原材料与成型工艺、设备间的影响关系。
总之,对于成型工艺的合理选择,正确操作,优化控制,获得优质、高产、低耗制品以及为制造成型工艺装备提供必要的设计参数等,都有非常重要的意义。
高分子材料的流变性除受高聚物结构及有关复合物组成的影响外,采用混合器测量流变性质时的实验条件也是十分重要的影响因素。
二、试验用原材料硬质PVC粒状复合物或混配物PVC 100 60 56.52174ACR丙烯酸酯共聚物 4 2.4 2.26CPE氯化聚乙烯 6 3.6 3.39钙锌复合稳定剂 4.5 2.7 2.54硬脂酸0.5 0.3 0.2869 64.99174三、主要仪器设备RM-200C转矩流变仪,主要分三部分:主机、电气控制柜、混合或挤出装置。
1克罗内克尔符号九个分量2、哈密顿算符用于矢量运算时3、应力张量应力张量是应力状态的数学表示。
数学上应力为二阶张量,三维空间中需九个分量(三个正应力分量和六个剪应力分量)来确定。
用应力张量形式表示为其中, 第一个下标表示力的作用面的法线方向,第二个下标表示力作用的方向,如σxy 表示作用在与x 垂直的平面上的应力分量,方向指向y 。
当i=j 时,表示应力方向与外法线方向相同,称为应力张量的法向分量, σxx σyy σzz 分别垂直于与x 、y 、z 垂直的平面上。
当i≠j 时,表示应力分量作用在相应面的切线方向上,称为剪切分量,如σxy σyz σzx 。
按照Caucky 应力定律,在平衡时物体受的合外力和合外力矩等于0,所以平衡时应力张量为对称张量,只有6个独立分量。
三个法向应力分量和三个剪切应力分量。
1()0()ij i j i j e e i j δ=⎧==⎨≠⎩ 111213212223313233100010001δδδδδδδδδ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦123123i i e e e e x x x x ∂∂∂∂∇=++=∂∂∂∂ i i i i e x ∇=∇∂∇=∂ 其中,0lim s Fs δδσδ→=xx xy xz yx yy yz zx zy zz σσσσσσσσσ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦......xx xy xz yy yz zz σσσσσσ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦4、全导数形式的连续性方程5、 为全微分-偏微分关系算符,也叫实质微分算符.其中, 左边表示的函数称:随体导数,指物理量随着流体质元一起运动时所发生的变化率,或者是当流体的微元体积上的一点在dt 时间内从进入微元体积的空间位置(x,y,z)移动到离开微元体积的的空间位置(x+dx,y+dy,z+dz)时,物理量随时间的变化率. 它由两部分组成,一是物理量的局部变化,即在空间一个固定点上随时间的变化,由场的不稳定性引起;二是物理量的对流变化,即由于流体质点的运动,从一点转移到另一点时所发生的变化,由空间位置变化引起的变化,为对流导数,由场的不均匀性引起. 适用于牛顿或非牛顿\可压缩或不可压缩流体6、动量方程其他形式的动量方程(1)(2)....d V V V V divV dt ρρρρρρ=-∇-∇+∇=-∇=- 流体的质量散度,反映了流动场中某一瞬间区的流量发散程度 (410)x y z D v v v Dt t x y z ∂∂∂∂=+++-∂∂∂∂.(228)dv g dtρσρ=∇+-.()..(229)dv P g dt P ggradP div g ρδτρδτρτρ=∇-++=-∇+∇+=-++-yx x xx zx x dv P g dt x x y z τττρρ∂⎛⎫∂∂∂=-++++ ⎪∂∂∂∂⎝⎭y xy yy zy y dv P g dt y x y z τττρρ∂∂∂⎛⎫∂=-++++ ⎪∂∂∂∂⎝⎭yz xz z zz z dv P g dt z x y z τττρρ∂⎛⎫∂∂∂=-++++ ⎪∂∂∂∂⎝⎭(3)在x 方向在y 方向在z 方向式中左边括号中是流场中某微团的加速度,即随流导数,由两部分组成,第一项是表示速度随时间的变化率,是局部加速度,其余三项是随空间坐标变化,是迁移加速度. 由于ρ是单位体积的质量,所以左边相当于力,是惯性力项,反映单位时间单位体积内流体动量的增量.• 右边第一项是静压力项,反映静压力对动量的影响;• 第二项是粘性力项,反映流体粘性对动量的影响;• 第三项是重力项,反映重力对动量的影响.• 可见, 惯性力=静压力+粘性力+重力.• 任何流体都适用.• 由于高分子流体的粘度很大,重力常忽略不计.影响流体的流动主要是压力和粘弹力.流动形式可区分为:压力流和拖曳流.7、能量方程流动场中普通的能量守恒方程yx x x x x xx zx x y z x v v v v P v v v g t x y z x x y z τττρρ∂⎛⎫⎛⎫∂∂∂∂∂∂∂+++=-++++ ⎪ ⎪∂∂∂∂∂∂∂∂⎝⎭⎝⎭y y y y xy yt zy x y z y v v v v P v v v g t x y z y x y z τττρρ∂∂∂∂∂∂∂⎛⎫⎛⎫∂+++=-++++ ⎪ ⎪∂∂∂∂∂∂∂∂⎝⎭⎝⎭yz xz z z z z zz x y z z v v v v P v v v g t x y z z x y z τττρρ∂⎛⎫⎛⎫∂∂∂∂∂∂∂+++=-++++ ⎪ ⎪∂∂∂∂∂∂∂∂⎝⎭⎝⎭...(.).E Ev q v g v tρρσρ∂=-∇-∇+∇+∂()()().....(232)v dT P c T P v q v P v dt T P T v q v T ρρρττ⎡⎤∂⎛⎫=--∇-∇+∇-∇⎢⎥ ⎪∂⎝⎭⎢⎥⎣⎦⎡⎤∂⎛⎫=-∇-∇+∇-⎢⎥ ⎪∂⎝⎭⎢⎥⎣⎦::用于求温度分布的能量守恒方程式中左边是单位时间内某一点温度的变化,对于不可压缩高聚物流体,此项可忽略不计.第二项是由热传导引起的温度变化,第三项是由机械功变为热能引起的温度变化.8、牛顿流体的本构方程9、幂律流体的本构方程 y x z v x y z y y x x z xx yy zz xy y x z y x z z xz yz q q q T T T T P c v v v T t x y z x y z T v v v v v x y z y x v v v x y z v v v v z x z y ρρττττττ⎡⎤∂⎛⎫⎛⎫∂∂∂∂∂∂∂⎛⎫+++=-++-⎢⎥ ⎪ ⎪ ⎪∂∂∂∂∂∂∂∂⎝⎭⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎧∂∂⎡⎤⎛⎫∂∂∂+++++ ⎪⎢⎥∂∂∂∂∂∂⎛⎫∂∂⎣⎦⎝⎭+++ ⎪∂∂∂∂⎛⎫∂∂∂⎝⎭⎛⎫+++ ⎪ ⎪∂∂∂∂⎝⎭⎝⎭(454)⎫⎪⎪⎪⎪-⎨⎬⎪⎪⎪⎪⎩⎭x yx v r y τηη∂==∂ {}1n kr r τ-=-。
几本流变学方向专业书籍1. Rheology FundenmentalISBN: 1-895198-09-7Title: Rheology FundenmentalAuthor: Malkin, Aleksandr YakovlevichPublisher: ChemTec PublishingNumber Of Pages: 326Rheological behavior of a material depends on time and space scales of observation (experiment). The former is important as a measure of the ratio of the rate of inherent processes in a material to the time of experiment and/or observation; the latter determines the necessity to treat a material as homo- or heterogeneous. Rheological properties of a material can be understood via balance (or conservation) equations (equations of solid state continuum or fluid dynamics), being a method to transit from properties at a point to an observed behavior of an item or a medium as a whole. The results of macroscopic description of behavior of real engineering and biological media, based on their rheological properties, are used in numerous applications related to technology of synthesis, processing, and shaping of different materials (plastics and ceramics, emulsions and dispersions in the chemical and food industries, pharmaceuticals, cosmetics, transport, oil industry, etc.), theirlong-term properties, natural phenomena, such as movement of mud streams and glaciers, and biological problems (dynamics of blood circulation, work of bones). One can conclude that the first goal of rheology is a search for stress versus deformation relationships for various technological and engineering materials in order to solve macroscopic problems related to continuum mechanics of these materials.The second goal of rheology consists of establishing relationships between rheological properties of a material and its molecular composition content. It is an important independent problem related to estimating quality of materials, understanding laws of molecular movements and intermolecular interactions. The term microrheology, related to classical works by Einstein,4 devoted to viscous properties of suspensions, is sometimes used in this line of thought, and it means that the key interest is devoted not only to movements of physical points but also to what happens inside the point during deformation of a medium.下载地址:/d/1994%20 ... 23343ccd5298a4c2000该书作者是流变动力学方面的牛人,呵呵2. RheologyISBN:Title: RheologyAuthor: E. J. HinchPublisher: WileyNumber Of Pages: 112这本书偏重于流变基础理论,所举的例子多以非牛顿流体为主,并非专指高分子复杂流体。
聚合物材料加工流变学复习资料2010-06-02 21:00:59 阅读165 评论0字号:大中小订阅流变学:是研究材料流动及变形规律的科学。
熔融指数:热塑性塑料在一定温度和压力下,熔体在十分钟内通过标准毛细管的重量值。
表观剪切黏度:聚合物流变曲线上某一点的剪切应力与剪切速率之比牛顿流体:指在受力后极易变形,且切应力与变形速率成正比的低粘性流体。
可回复形变:在一定时间内维持该形变保持恒定,而后撤去外力,使形变自然恢复,发现只有一部分形变得到恢复,另一部分则作为永久变形保留下来,其中可恢复形变量Sr表征流体在形变过程中储存弹性能的大小。
第2光滑挤出区:剪切速率持续升高,当达到第二临界剪切速率后,流变曲线跌落,然后再继续发展,挤出物表面可能又变得光滑,这一区域称为第二光滑挤出区。
冷冻皮层:实际上熔体进入冷模后,贴近模壁的熔体很快凝固,速度锐减,形成冷冻皮层,使熔体流道宽度Z下降。
法向应力效应:聚合物材料在口模流动中,由于自身的黏弹特性,大分子链的剪切或拉伸取向导致其力学性能的各向异性,产生法向应力效应。
松弛时间:弹性形变在外力除去后松驰的快慢,可用松驰时间表征,τ=η/G,τ越大,松驰时间越长。
德博拉数Deborah数——时间尺度:松弛时间与实验观察时间之比。
《1时做黏性流体,》1时做弹性固体。
入口校正:由于实际切应力的减小与毛细管有效长度的延长是等价的,所以可将假想的一段管长eR加到实际的毛细管长度L上,用L+eR作为毛细管的总长度,其中e为入口修正系数,R为毛细管的半径。
用作为均匀的压力梯度,来补偿入口管压力的较大下降残余应力。
残余应力:构件在制造过程中,将受到来自各种工艺等因素的作用与影响;当这些因素消失之后,若构件所受到的上述作用于影响不能随之而完全消失,仍有部分作用与影响残留在构件内,则这种残留的作用与影响称为残余应力。
韦森堡效应爬杆现象包轴现象:与牛顿型流体不同,盛在容器中的高分子液体,当插入其中的圆棒旋转时,没有因惯性作用而甩向容器壁附近,反而环绕在旋转棒附近,出现沿棒向上爬的“爬杆”现象,这种现象称Weissenberg效应,又称包轴现象。
初识流变学流变学是机械工程学科中的一个分支,研究物质在外力作用下的形变和流动规律,是现代工程设计和材料技术的重要基础。
如果把物理学比作一座大厦,流变学就像是这座大厦的一个关键支撑柱,为科学技术的发展提供了坚实的理论基础。
流变学的研究范畴非常广泛,它涉及材料科学、化学工程、生物学、医学等多个学科领域,可以解释和描述石油、食品、塑料等各种物质的流动、变形、粘度等现象。
因此,流变学对于新材料的开发、质量控制、加工工艺的优化和创新都有着重要的意义。
那么,流变学又是如何研究物质的形变和流动规律的呢?浆料的流变特性液体和固体都有固有的流动特性。
不难发现,我们平时接触到的液体有的流动性好,有的却黏稠不流畅。
正因为如此,流体的流变特性成为流变学研究的重要范畴之一。
以浆料为例,浆料是指含固相颗粒的复合流体。
商家加工冰激凌就会遇到一个问题,那就是如何使颗粒均匀地分散于糖水内,不会让冰激凌变得夹杂生硬。
而流变学就能提供给你一个合理的选项--在糖浆中添加少量的手掌核山梨醇酯以增强稠度,从而达到口感细腻、甜度合适、口感舒适的目的。
流变学的实验方法一般来说,流变学的研究方法主要分为两种:一是观察流体在外欧所产生的反应,二是制造模拟物质用于实验。
第一种方法利用现成的流体,检测力学性质,例如弹性模量、粘度、剪切模量等,海康威视的企业团建活动时有时候需要粘度究竟如何影响产品功效,流变好坏对于企业的顺利发展来说有着非常重要的影响。
第二种方法则采用材料物理实验,制作各种基准标准物质,运用各种硬件清晰测量一些物质的力学属性和运动状态等信息,用来验证物理性质及其与其它参数之间的库仑共振关系。
流变学在体育中的应用虽然看起来不太相关,但是流变学在体育领域中有非常多的应用,除了我们所知的排球、泳装、滑雪板、豆腐脑包装材料之外,还有一个叫做"人体流变特性"的概念。
人体的流变特性是指神经肌肉系统对于外界门槛的反应。
基于流变学的研究,科学家能精确地测量人体全身和肌肉的收缩和伸张的速度,采取特殊的训练手段达到运动训练效果最佳。
高分子材料加工流变学讲义专业:机械自动化李勇2013/01/31第一章高分子材料加工流变学简介第一节前言讲解重点:流变学的定义、研究范围、应用领域;学习高分子材料加工流变学的意义。
课时分配及教学形式:2学时,课堂教学一、流变学概念1、流变学定义: 流变学是一门研究材料流动及变形规律的科学。
2、高分子材料流变学:是研究高分子液体,主要指高分子熔体、溶液在流动状态下的非线形粘弹行为以及这种行为与材料结构及其他物理、化学性能的关系。
高分子材料流变学又分为:高分子材料结构流变学:又称微观流变学或分子流变学。
研究分子链结构、聚集态结构与其流动变形行为的关系高分子材料加工流变学:宏观流变学或微象流变学:主要研究与高分子材料加工工程有关的理论和技术问题。
很久以来,流动与变形是属于两个范畴的概念:流动是液体材料的属性,液体流动时,表现出粘性行为,产生永久变形。
变形不可恢复并耗散部分能量。
液体①遵从牛顿流动定律:材料所受的剪切应力与剪切速率成正比,σ=ηγ②流动过程中总是一个时间过程。
固体①固体变形时遵从胡克定律:材料所受应力与变形量成正比,σ=Eε应力、应变之间的响应为瞬时响应,与时间无关。
变形是固体(晶体)材料的属性。
固体变形时,表现出弹性行为,其产生的弹性变形在外力撤消时能够恢复,且产生变形时贮存能量,变形恢复时还原能量,材料具有弹γε流动→液体→粘性→耗散能量→产生永久形变→无记忆效应→牛顿定律→时间过程变形→固体→弹性→贮存能量→变形可以恢复→有记忆效应→胡克定律→瞬时响应牛顿流体和胡克弹性体是两类性质被简化的抽象物体,实际材料往往表现出远为复杂的力学性质。
如沥青、黏土、橡胶、石油、蛋清、血桨、食品、化工原材料、泥石流、地壳。
高分子材料既能流动,又能变形;既有粘性,又有弹性;变形中发生粘性损耗,流动时又有弹性记忆效应,属于粘、弹性结合,流、变性并存。
对于这类材料,仅用牛顿流动定律或胡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。