聚合物流变学

聚合物流变学研究意义聚合物流变学是研究聚合物在外力作用下的流变特性的学科。

聚合物是一类大分子化合物，具有高分子量、高分子链的柔韧性和长期的耐久性等特点。

聚合物在外力作用下会产生不同的变形和流动行为，而聚合物流变学正是研究这些变形和流动行为的学科。

聚合物流变学的研究意义主要体现在以下几个方面：1. 工程应用：聚合物流变学的研究可以为聚合物工程应用提供重要的理论基础。

比如，聚合物在塑料加工中的流动行为和变形特性对于塑料工程的设计和制造至关重要。

另外，在航空、汽车、电子等领域，聚合物的流变特性也对产品的性能和可靠性有着重要的影响。

2. 医学应用：聚合物在生物医学领域中有着广泛的应用，比如注射用聚合物、生物材料、组织工程等。

聚合物流变学的研究可以为这些应用提供重要的理论支持和技术指导。

3. 环境保护：聚合物在环境领域中也有着重要的应用，比如塑料袋、塑料瓶等。

聚合物流变学的研究可以为这些应用提供技术支持，使其更加环保和可持续。

聚合物流变学的研究主要涉及到以下几个方面：1. 本构关系：聚合物的流变特性与其分子结构有关，通过研究聚合物的分子结构和流变行为，可以建立聚合物的本构模型，从而预测其力学性能。

2. 流变行为：聚合物的流变行为包括弹性、塑性、粘弹性等，通过研究聚合物的流变行为，可以了解其在复杂工况下的行为规律，从而为工程应用提供理论指导。

3. 流变测试：聚合物的流变测试是研究聚合物流变行为的重要手段，包括剪切测试、拉伸测试、压缩测试等。

通过流变测试，可以获得聚合物的粘度、弹性模量、屈服点等流变参数，为聚合物工程应用提供重要的数据支持。

聚合物流变学的研究对于聚合物工程应用、生物医学、环境保护等领域都具有重要的意义。

在未来，随着聚合物材料的广泛应用，聚合物流变学的研究也将变得越来越重要。

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。

聚合物流变学基础知识四章聚合物流变学基础1.与低分子物相比，聚合物的黏性流淌有何特点？答：绝大多数低分子物具有牛顿流体的性质，即其粘性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。

比如水、甘油等。

高分子稀溶液也是。

而大部分聚合物熔体属于非牛顿流体中的假塑性流体，随剪切力增强而变稀。

与低分子物相比，聚合物的粘性流淌（流变行为，主要是指聚合物熔体，而不包括聚合物溶液）具有如下特征：（1）聚合物熔体流淌时，外力作用发生粘性流淌，同时表现出可逆的弹性形变。

（2）聚合物的流淌并不是高分子链之间的容易滑移，而是运动单元依次跃迁的结果。

（3）它的流变行为剧烈地依靠于聚合物本身的结构、分子量及其分布、温度、压力、时光、作用力的性质和大小等外界条件的影响。

（4）绝大数高分子成型加工都是粘流态下加工的，如挤出，注射，吹塑等。

（5）弹性形变及其后的松驰影响制品的外观，尺寸稳定性。

2.什么是牛顿型流体和非牛顿型流体？使用流变方程和流淌曲线说明非牛顿型流体的类型。

答：牛顿粘性定律：某些液体流淌时切应力τ与切变率D之比为液体的粘度。

遵循牛顿粘性定律的液体称为牛顿流体,凡是流体运动时其切变率D与切应力τ不成线性关系的流体称为非牛顿流体。

η=K(d/dy)n= Kγn-1式中，K为稠度系数，N?S”／m ；为流体特性指数，无因次，表示与牛顿流体偏离的程度。

由方程式可见：①当n=1时，η=K，即K 具有粘度的因次．此时流体为牛顿流体；①当ηl时，为膨胀塑性或剪切增稠流体；①当剪切应力高于流淌前的剪切屈服应力的流体叫宾哈流体3.何为表观黏度？试述大部分聚合物熔体为假塑性流体的理由。

答：表观黏度为非牛顿流体剪切应力，即剪切速率曲线上的任一点所对应的剪切应力除以剪切速率。

由于大部分的聚合物是热塑性塑料而热塑性塑料的剪切速率在10-104S-1。

流淌曲线是非线性的，剪切速率的增强比剪切应力增强的快，并且不存在屈服应力，流体特征是黏度随剪切速率或剪切应力的增大而降低。

聚合物流变学知识点总结一、聚合物的结构1. 聚合物的结构聚合物是由大量重复单体组成的高分子化合物，它的结构可以分为线性聚合物、支化聚合物和交联聚合物三种类型。

线性聚合物是由单一的链状分子组成，支化聚合物是具有分支结构的聚合物，而交联聚合物则是由互相交联的聚合物链构成的。

2. 聚合物的结构对流变性质的影响聚合物的分子结构对其流变性质有着重要的影响。

例如，线性聚合物的流变行为往往比较简单，而支化聚合物和交联聚合物因为其分子结构的复杂性而表现出更加复杂的流变行为。

3. 聚合物的分子量聚合物的分子量也是影响其流变性质的重要因素。

分子量越高，聚合物越倾向于呈现出固态的性质，例如高分子量的聚合物会表现出较高的粘度和内聚力。

4. 聚合物的形状聚合物的形状对其流变性质也有一定的影响。

例如，球形分子的聚合物在流动状态下会表现出不同于线性分子的流变行为。

二、聚合物的流变性质1. 聚合物的黏度聚合物的黏度是其在流动状态下对外部应变的抵抗力，是衡量聚合物流变性质的重要指标。

由于聚合物的复杂分子结构和内聚力，其黏度通常会随着应变速率的增加而增加，呈现出剪切稀化的特性。

2. 聚合物的弹性聚合物的弹性是指其在受力后能够恢复原状的能力。

在流变学中，弹性通常用弹性模量来描述，高分子链的可延展性和排列状态会影响聚合物的弹性模量。

3. 聚合物的流变型态聚合物在流变过程中可能会呈现出多种类型的流变行为，包括牛顿型流体、剪切稀化型流体、剪切增稠型流体等。

4. 聚合物的剪切稀化和剪切增稠在流变过程中，聚合物通常会表现出剪切稀化和剪切增稠的特性。

剪切稀化是指在剪切应力作用下，聚合物的黏度随着应变速率的增加而减小；而剪切增稠则是指聚合物的黏度随着应变速率的增加而增加。

三、流变学测试方法1. 平行板流变仪平行板流变仪是用于测定聚合物流变性质的常用实验仪器，它通过施加不同频率和幅值的应力来测量聚合物的黏度和弹性等性质。

2. 旋转流变仪旋转流变仪是另一种常用的流变学测试设备，它通过旋转圆盘或圆柱的方式来施加剪切应力，测量聚合物的流变性质。

1 导言1.1 流变学的定义术语“流变学”（英文为RHEOLOGY）是由美国物理学家宾汉（E. C. Bingham）于1929年创造出来的，其定义为“流变学是研究物质形变和流动的科学”。

尽管流变学一词作为一门学科出现，只有半个世纪的历史，但流变学思想的起源却可追溯到17世纪的Newton（牛顿流体）和Hooke（胡克定律）。

经过众多科学家和学者的不懈努力，时至今日，流变学已发展成为一门与物理、化学、生物、材料、工程以及食品等多学科交叉的重要学科。

1.2 流变学的研究对象和内容狭义流变学研究的对象主要是非牛顿流体，即复杂流体（USA）或称软物质（Euro）。

研究的内容是复杂流体的形变和流动。

1.3 流变学的分类从研究方法上流变学可分为两种。

一种是将材料当作连续介质处理，用连续介质力学的数学方法进行研究，称为连续介质流变学。

由于这种研究方法不考虑物质内部结构，因此又称为宏观流变学或唯象流变学。

另一种是从物质结构的观点出发，研究材料流变性与物质结构（包括化学结构、物理结构和形态结构）的关系，称为结构流变学，还可称为分子流变学或微观流变学。

按研究对象又可分为聚合物流变学、食品流变学、化妆品流变学、血液流变学、石油流变学、矿山流变学等。

1.4 聚合物流变学研究对象：聚合物溶液、聚合物熔体和聚合物基复合体系。

流变学是聚合物加工成型的基础，流变学测试是聚合物表征的一种重要手段。

1.5 本课程的主要内容流变学的数学基础（张量分析初步）和唯象流变学的理论基础（连续介质力学引论）流变测量学（流变学参数、流变仪、测试模式和数据处理）本构方程（描述应力与应变关系的经验方程和力学模型）聚合物共混体系的流变学（相容、部分相容和不相容共混体系的粘弹性）聚合物复合体系的流变学流变学在聚合物研究中的应用（分子量、接枝率、相容性、相图、相形态、相反转、相分离动力学）聚合物结构流变模型（Rouse Model、Doi-Edwards Model、Reptation Model）1.6 几个重要期刊Journal of Rheology /journals/doc/JORHD2-home/Rheologica Acta /openurl.asp?genre=journal&issn=0035-4511 Applied Rheology http://www.ar.ethz.ch/Korea-Australia Rheology Journal http://www.rheology.or.kr/karj/karj.htmMacromolecules /journals/mamobx/index.htmlPolymer /science/journal/003238611.7 参考书目John D. Ferry, Viscoelastic Properties of Polymers (3rd), John Wiley & Sons Inc. 1980Leszek A. Utracki, Polymer alloys and Blends: Thermodynamics and Rheology, Hanser Pub., 1989Leszek A. Utracki, Polymer Blends Handbook (V ol. 1, Chap. 7), Kluwer Academic Pub., 2002江体乾，化工流变学，华东理工大学出版社，2004周持兴，聚合物流变学实验与应用，上海交通大学出版社，2003许元泽，高分子结构流变学，四川教育出版社，1988江体乾，工业流变学，化学工业出版社，1995周持兴，聚合物加工理论，科学出版社，2004。

聚合物流变学名词解释
聚合物流变学是研究聚合物材料在外力作用下的流变行为的学科。

在聚合物流变学中，有一些常见的名词需要解释，如下：
1. 聚合物，聚合物是由重复单元组成的大分子化合物，它们可以通过化学反应或物理方法合成。

聚合物具有高分子量、可塑性和可变形性。

2. 流变行为，流变行为是指物质在外力作用下的变形和流动特性。

对于聚合物材料，其流变行为可以分为弹性变形、塑性变形和流动变形等。

3. 弹性变形，弹性变形是指物质在受到外力作用后能够恢复到原始形状的能力。

聚合物在低应力下一般表现出弹性行为，即受力后能够迅速恢复原状。

4. 塑性变形，塑性变形是指物质在受到外力作用后无法完全恢复到原始形状的能力。

聚合物在高应力下会发生塑性变形，导致永久性的形变。

5. 流动变形，流动变形是指物质在外力作用下发生持续的形变和流动。

聚合物在高温或高应力条件下会发生流动变形，使其形状发生改变。

6. 剪切应力，剪切应力是指作用在物质表面上的力与单位面积的比值。

在聚合物流变学中，剪切应力是导致聚合物发生流变行为的主要力量。

7. 剪切应变，剪切应变是指物质在受到剪切应力作用下的形变程度。

聚合物的剪切应变与剪切应力呈线性关系，称为线性剪切应变。

8. 流变曲线，流变曲线是描述聚合物材料在外力作用下剪切应力和剪切应变之间关系的曲线图。

根据流变曲线的形状，可以判断聚合物的流变行为类型。

以上是关于聚合物流变学常见名词的解释。

聚合物流变学的研究对于聚合物材料的设计、加工和应用具有重要意义，可以帮助理解和控制聚合物材料的流变性能。