聚合物流变学

第9章聚合物的流变性流变学是研究材料流动和变形规律的一门科学。

聚合物液体流动时，以粘性形变为主，兼有弹性形变，故称之为粘弹体，它的流变行为强烈地依赖于聚合物本身的结构、分子量及其分布、温度、压力、时间、作用力的性质和大小等外界条件的影响。

9.1牛顿流体与非牛顿流体9.1.1非牛顿流体描述液体层流行为最简单的定律是牛顿流动定律。

凡流动行为符合牛顿流动定律的流体，称为牛顿流体。

牛顿流体的粘度仅与流体分子的结构和温度有关，与切应力和切变速率无关。

式中：——剪切应力，单位：牛顿/米2(N/㎡)；——剪切速率，单位：s-1；——剪切粘度，单位：牛顿•秒/米2(N•s/㎡)，即帕斯卡•秒(Pa•s)。

非牛顿流体：不符合牛顿定律的液体，即η是或时间t的函数。

包括：１、假塑性流体(切力变稀体)η随的↗而↙例：大多数聚合物熔体２、膨胀性流体(切力变稠体)η随的↗而↗例：泥浆、悬浮体系、聚合物胶乳等。

３、宾汉流体。

τ<τy，不流动；τ>τy，发生流动。

按η与时间的关系，非牛顿流体还可分为：（1）触变体：维持恒定应变速率所需的应力随时间延长而减小。

（2）流凝体：维持恒定应变速率所需的应力随时间延长而增加。

牛顿流体，假塑性流体与膨胀性流体的应力－应变速率关系可用幂律方程来描述：式中：K为稠度系数n：流动指数或非牛顿指数n＝1时，牛顿流体 k＝η； n>1 时，假塑性流体； n<1 时，膨胀性流体。

定义表观粘度9.2聚合物的粘性流动9.2.1聚合物流动曲线聚合物的流动曲线可分为三个主要区域：图9-1 聚合物流动曲线１、第一牛顿区低切变速率，曲线的斜率n＝1，符合牛顿流动定律。

该区的粘度通常称为零切粘度，即的粘度。

２、假塑性区(非牛顿区)流动曲线的斜率n<1，该区的粘度为表观粘度ηa，随着切变速率的增加，ηa值变小。

通常聚合物流体加工成型时所经受的切变速率正在这一范围内。

３、第二牛顿区在高切变速率区，流动曲线的斜率n＝1，符合牛顿流动定律。

Rheological Behavior of Polymers 聚合物的流变行为在现代物理和化学研究中，聚合物是一个重要的研究对象。

随着人们对聚合物研究的深入，我们开始逐步了解聚合物的流变行为。

聚合物的流变行为影响着聚合物的力学性能和加工性能，因此深入研究聚合物的流变行为对于提高聚合物的性能具有重要作用。

一、聚合物的流变学聚合物的流变学主要研究塑料、橡胶等高分子物质在受力和流动时所表现出的物理性质。

由于聚合物分子量大，具有较高的柔韧性和可变性，因此其在受力和流动时表现出的特殊性质特别值得研究。

根据牛顿流体和非牛顿流体的不同，聚合物可分为牛顿性聚合物和非牛顿性聚合物。

牛顿性聚合物是指其流变特性符合牛顿流体的流动方式，即在外力作用下，聚合物会立即产生运动，并且所流出的液体质量与时间成正比。

而非牛顿性聚合物则会表现出各种不同的流变特性，如剪切稀释、屈服现象等不同的流动方式。

二、聚合物的流变特性聚合物的流变特性主要分为剪切性能和扭转性能。

剪切性能是指聚合物在剪切力下的应力-应变关系，而扭转性能则是指聚合物在扭转力下的应力-应变关系。

这两种性能对于聚合物的力学性能和加工性能都有着重要作用。

聚合物的剪切性能主要由剪切模量、剪切应力和剪切应变等参数来衡量。

剪切模量是指聚合物在受到外力作用下产生剪切变形的能力，剪切应力是指在剪切变形中聚合物受力的强度大小，剪切应变则是指聚合物在剪切变形中所产生的形变程度。

聚合物的扭转性能则是通过扭转模量、扭转应力和扭转应变等参数来衡量。

扭转模量是指聚合物在受到扭转力作用下所产生的变形能力，扭转应力是指在扭转变形中聚合物受力的强度大小，扭转应变则是指聚合物在扭转变形中所产生的形变程度。

三、聚合物流变行为的影响因素聚合物的流变行为在很大程度上受到诸多因素的影响。

这些因素主要包括聚合物分子量、聚合物分子结构、聚合物溶液中其他物质的浓度等。

其中，分子量是影响聚合物流变行为的最重要因素之一。

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。

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 γησ 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。

聚合物流体的流变性引言聚合物流体是由聚合物分子组成的流体，其独特的流变性质使其在许多工业和科学领域中得到广泛应用。

本文将介绍聚合物流体的流变学性质，包括流变学基本概念、聚合物流体流变学模型、流变学测试方法和聚合物流体的应用领域。

流变学基本概念流变学是研究流体在外力作用下的变形和流动规律的科学。

聚合物流体的流变学行为与传统液体有所不同，其主要特点是非牛顿性。

非牛顿流体指的是流体的粘度随应力变化而变化的流体。

聚合物流体的非牛顿性主要由聚合物链的长而柔软的特性所决定。

根据应力与应变速率之间的关系，可以将聚合物流体分为剪切稀化和剪切增稠流体。

聚合物流体流变学模型为了描述聚合物流体的流变学行为，研究人员发展了许多流变学模型。

其中最经典的模型之一是Maxwell模型，它将聚合物流体看作是由弹簧和阻尼器组成的串联结构。

除此之外，还有Oldroyd-B模型、Giesekus模型和白金布卢米斯模型等。

这些模型可以有效地描述聚合物流体的应力-应变关系，并能预测流体的流变学行为。

流变学测试方法为了研究聚合物流体的流变学特性，需要进行一系列的流变学测试。

常见的流变学测试包括剪切应力-剪切应变测试、动态剪切测试、扩展流动测试和振动测试等。

这些测试方法可以提供流体的粘度、弹性模量、流动极限等参数，从而深入了解聚合物流体的流变学性质。

聚合物流体的应用领域聚合物流体的流变学性质使其在许多应用领域中得到广泛应用。

在食品工业中，聚合物流体用作稳定剂、增稠剂和乳化剂等。

在化妆品工业中，聚合物流体则用于调整产品的黏度和流动性。

此外，聚合物流体还在油田开发、药物传输和生物医学工程中起着重要作用。

结论聚合物流体的流变学性质对其在各种应用领域中的表现起着至关重要的作用。

在了解聚合物流体的流变学行为之后，我们能够更好地设计和控制这些流体，以满足不同领域的需求。

未来，随着对聚合物流体流变学性质研究的不断深入，我们可以预见聚合物流体在更多领域中发挥更重要的作用。

聚合物流变学：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。

影响因素：流动性以粘度的倒数表示流动性。

按作用方式的不同,流动可分为剪切流动和拉伸流动,相应地有剪切粘度和拉伸粘度。

前者为切应力与切变速率之比；后者为拉伸应力与拉伸应变速度之比。

聚合物的结构不同，流动性（或粘度）就不同。

对于聚合物熔体，大多数是属于假塑性液体,其剪切粘度随剪切应力的增加而降低,同时测试条件（温度、压力）、分子参数（分子量及其分布、支化度等）和添加剂(填料、增塑剂、润滑剂等)等因素对剪切粘度-剪切应力曲线的移动方向均有影响(见图)。

对于拉伸粘度，当应变速率很低时，单向拉伸的拉伸粘度约为剪切粘度的3倍，而双向相等的拉伸，其拉伸粘度约为剪切粘度的6倍。

拉伸粘度随拉伸应力增大而增大,即使在某些情况下有所下降，其下降的幅度远较剪切粘度的小。