高分子流变学基本概念

高分子材料流变学教学引言高分子材料流变学是研究高分子材料在外力作用下的变形和流动行为的学科，对于合理设计高分子材料的工艺参数、提高高分子材料的加工性能具有重要意义。

本文将介绍高分子材料流变学教学的内容、教学方法和案例分析，以帮助学生深入了解该学科的基本概念和实际应用。

教学内容高分子材料流变学教学主要包括以下内容：1.高分子材料的力学性能：介绍高分子材料的弹性、塑性和黏弹性等力学性能，以及与这些性能相关的工艺因素和材料结构的关系。

2.流变学基本概念：介绍高分子材料流变学的基本概念，包括应力、应变、应变速率、粘度、屈服应变等，以及流变学中常用的测试方法和仪器。

3.流变学模型与实验数据处理：介绍高分子材料流变学的常用模型，如弹性模型、粘弹性模型和塑性流变模型，并探讨如何利用实验数据对模型进行参数拟合和分析。

4.高分子材料加工和应用：介绍高分子材料在不同加工条件下的流变行为，如挤出、注塑和拉伸等，以及高分子材料的应用领域，如塑料制品、橡胶制品和复合材料等。

教学方法高分子材料流变学教学可以采用以下方法：1.理论讲解：通过教师的讲解，介绍高分子材料流变学的基本概念和理论知识，帮助学生建立起对该学科的整体认识和框架。

2.实验操作：通过实验操作，让学生亲自进行流变学测试，并学习如何操作流变仪器和处理实验数据，加深对流变学知识的理解和应用。

3.讨论和案例分析：通过讨论和案例分析，引导学生分析和解决实际问题，培养学生的独立思考和问题解决能力。

4.专业实习：安排学生到工业企业或科研机构进行实习，让学生实践所学的流变学知识，并了解高分子材料流变学在实际工作中的应用。

案例分析下面以挤出加工为例进行案例分析：挤出是一种常用的高分子材料加工方法，通过挤出机将高分子材料加热融化后，通过模具挤出成型。

在挤出过程中，高分子材料会受到剪切力和压力的作用，因此流变学的知识对于优化挤出工艺和提高产品质量具有重要影响。

在案例中，学生需要分析挤出过程中高分子材料的流变行为，并根据实验数据对材料流变模型进行拟合和参数分析。

《高分子流变学》一、简介高分子流变学是高分子材料及工程专业的重要课程，我专业设此课程为专业选修课。

本课程在高分子化学、高分子合成工艺原理、高分子物理以及工程力学等课程的基础上，着重介绍流变学行为额基本原理和高分子材料流动与变形的基本行为，介绍了高分子材料流动变形行为与经典黏性体和弹性体之间的不同之处，深入讨论剪切作用、温度、压力、结构和时间等因素对高分子流变性质的影响，并介绍了流变学的测试原理和基本研究方法。

进一步为高分子材料及其制品的设计优化、加工工艺和加工设备的选择改进提供必要的理论依据。

二、第一章绪论第一节流变学的发展一．定义流变学是研究材料的流动和变形的科学，它是一门介于力学、化学、物理与工程科学之间的新兴交叉学科。

二．流变学产生的简史与发展流变学的诞生：宾汉（奠基人）与雷诺的故事；流变学的发展：流变学出现在 20 世纪 20 年代；麦克斯韦的贡献；早期国际流变学发展；目前关于流变学的研究十分活跃；流变学应用：流变学与现代工业；流变学与地球科学；流变学与土木工程；三．流变学的研究对象：流动的固体；非牛顿流体。

四．流变学的研究内容：本构方程；力学模型；物理模型。

五．其他流变学技术：磁流变学；电流变学；血液流变学。

第二节高分子流变学概述一．定义：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。

二．高分子流变学的发展三．高分子流变学研究内容：结构流变学；加工流变学。

四．高分子流变学研究方法：挤出式流变仪；转动式流变仪；转矩流变仪。

第三节流变学与聚合物工业的关系一．高分子加工的基本类型1. 塑料加工：挤出、注塑2. 纤维加工：口模、拉伸及拉伸粘度3. 橡胶加工：压延、密炼、挤出二．基本关系概述三．在聚合物材料加工中的应用第四节流变学在化妆品中的应用第二章线性粘性流动第一节基本概念一．流动的类型1. 层流、湍流层流，稳定流动，流体可看作是假想的层状流体所组成，层与层之间没有流动。

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 Hooke’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（JournalofRheology），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。

高分子流变学高分子流变学是指以有机分子结构体系为基础，研究物质在各种条件下的流变行为的学科，它是力学与物理化学交叉学科，是研究高分子材料性能、强度性能及用途等方面技术问题的重要方向。

它研究的主要内容是：物质在受到外力作用时，在外力的作用下，形状发生改变并失去原有的力状态，或者外力的增大把物质分解成其它物质的研究。

高分子流变学可以分为两大类：一类是力学流变学，即以力学方法研究物质在受力作用下的变形、强度、耗散等各种现象及物质整体结构及其变化的学科；另一类是物理化学流变学，即以物理化学方法研究物质分子结构及其相互作用力对物质整体性能的影响，包括表面力学性质、黏度、热塑性等性质的研究。

一般来说，高分子流变学的研究范围包括：（1）各种高分子材料的流变性能：物质受力作用时的变形、强度及损耗等；（2）各种高分子复合体的流变性能：混合材料及其构造对流变性能的影响；（3）各种高分子有机混合体的流变性能；（4）各种高分子凝胶体系的流变性能；（5）各种高分子材料的表面力学性质；（6）各种高分子材料的黏度；（7）各种高分子材料的热塑性等。

由此可见，高分子流变学的研究内容十分广泛，以上概括的只是其主要的研究方向。

高分子流变学的研究方法多种多样，包括物理化学方法、分子动力学模拟方法、统计力学方法、数学方法、拉伸实验、断口实验、压缩实验、延伸实验、撕裂实验、油化实验、交联实验等。

这些实验可以研究物质在受力作用下的流变性能、强度性能、分解性能等，因此在研究高分子材料的物性及强度性能时，这些方法都是不可或缺的。

与其它科学学科不同，高分子流变学有着其独特之处：首先，它是以有机分子结构体系为基础，研究物质受力作用时因材料组成、材料结构及外力变化而发生的变形、强度、损耗等现象；其次，它研究的对象没有限定，可以是任何类型的高分子材料，综上所述，高分子流变学是以有机分子结构体系为基础的力学与物理化学交叉学科，是研究高分子材料性能、强度性能及用途等方面技术问题的重要方向，其研究范围很广，涉及高分子材料的流变性能、各种高分子复合体的流变性能、各种高分子有机混合体的流变性能、各种高分子凝胶体系的流变性能等，研究方法也多种多样，为研究高分子材料物性及强度性能提供了重要参考。

一、名词解释1. 本构方程：又称状态方程，描述应力分量与形变分量或形变速率分量之间关系的方程,是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. 反映流变过程中材料本身的结构特性。

2. 等粘度原则：两相高分子熔体或溶液粘度相近，易混合均匀。

3. 近似润滑假定：把原来物料在x—y平面的二维流动，在一段流道内简化成为只沿x方向的一维流动，这种简化假定称为~。

4. 剪切变稀：相同温度下，高分子液体，在流动过程中粘度随剪切速率增大而降低的现象。

5. 表观剪切黏度：表观粘度η a定义流动曲线上某一点τ与γ的比值6. Banis效应：又称口型膨胀效应或挤出胀大现象，是指高分子熔体被迫挤出口模时，挤出物尺寸d大于口模尺寸D，截面形状也发生变化的现象。

7. 粘流活化能：E定义为分子链流动时用于克服分子间位垒跃迁到临近空穴所需要的最小能量，它表征粘度对温度的依赖性，E越大，粘度对温度的依赖性越强，温度升高，其粘度下降得越多。

8. 法向应力差：两个法向应力分量差值在各种分解中始终保持不变，定义法向应力差函数来描写材料弹性形变行为。

9. 零切黏度：剪切速率接近于0时，非牛顿流体对应的粘度值。

10. 表观粘度：流动曲线上某点与原点连线的斜率11. 弯流误差：高分子液体流经一个弯形流道时，液体对流道内侧壁和外侧壁的压力，会因法向应力差效应而产生差异。

12. 拉伸粘度：聚合物在拉伸过程中拉伸方向的总的法向应力与拉伸速率的比值。

13. 第二牛顿区;假塑性流体在当前剪切速率很高时，剪切粘度会趋于一个定值，而这一剪切区域称为假塑性流体的第二牛顿区。

14. 触变性：等温条件下，某些液体流动粘度随外力作用时间长短发生变化的性质，其中粘度变小为触变性。

15. Tf：黏流温度，高分子高弹态与粘流态之间转变的温度，大分子链产生重心位移的整链相对运动。

16. Tg：玻璃化温度，分子链段运动，解除冻结的温度，形变可以恢复。

17. 爬杆现象、weissenberg效应、包轴现象：高分子液体在用圆棒搅动时环绕在旋转木棒附近并沿棒向上爬的现象。

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。

♦假塑性流体：黏度随剪切速率的增加而降低的流体，粘度与剪切应力之间的关系服从幂律定律，其中，非牛顿指数n<1♦膨胀性流体:黏度随剪切速率的增加而升高的流体，粘度与剪切应力之间的关系服从幂律定律，其中非牛顿指数n>1♦宾汉流体:指当所受的剪切应力超过临界剪切应力后，才能变形的流动的流体，亦称塑性流体，其中剪切应力与剪切速率服从τ=τy+ηpγ♦牛顿流体:剪切应力与剪切速率之间呈线性关系，表达式为τ=μγ的流体♦剪切变稀：粘度随剪切速率升高而降低♦爬杆效应：当金属杆在盛有高分子流体的容器中旋转，熔体沿杆上爬的现象♦挤出胀大：聚合物熔体挤出圆形截面的毛细管时，挤出物的直径大于毛细管模直径♦熔体破裂：聚合物熔体在毛细管中流动时，当剪切速率较高时，聚合物表面出现不规则的现象，如竹节状，鲨鱼皮状♦无管虹吸：当插入聚合物溶液中的玻璃管，提离液面之上时，聚合物溶液继续沿玻璃管流出的现象♦第一法向应力差：高聚物熔体流动时，由于弹性行为，受剪切的作用时，产生法向应力差，其中满足关系式N1=τ11−τ22=φ1∗γ212(N1通常为正值)♦第二法向应力差：同上，关系式为N2=τ22−τ33=φ2∗γ212(N2通常为负值)♦本构方程：是一类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的常数。

♦剪切应力：单位面积上的剪切力，τ=FA♦剪切速率：流体以一定速度沿剪切力方向移动。

在黏性阻力和固定壁面阻力的作用力，使相邻液层之间出现速度差,γ=d vdy也可理解成一定间距的液层，在一定时间内的相对移动距离。

♦高分子流变学：研究高分子液体，主要是指高分子熔体干分子溶液在流动状态下的非线性粘弹性行为。

以及这种行为与材料结构及其他物理化学的关系。

♦挤出膨胀现象：高分子熔体被迫基础口模时，挤出物尺寸大于口模尺寸截面积形象黄也发生变化的现象♦常用的聚合物流变仪有：毛细管型流变仪、转子型流变仪、组合式转矩流变仪、振荡型流变仪、落球式黏度计、其他类型流变仪（拉伸流变仪、缝模流变仪和弯管流变仪等）♦流变测量的目的：1）物料的流变学表征2）2）工程的流变学研究和设计3）3）检验和指导流变本构方程理论的发展♦高聚物的粘性流动的特点：1)流动机理是链段相继跃迁2)流动粘度大，流动困难，而且粘度不是一个常数3)流动时有构象变化，产生“弹性记忆”效应♦影响挤出胀大效应的因素：链结构、配方、切变速率与温度稳定♦挤出的措施：1)加料口供料速度必须均匀2）减少螺槽深度h和减少机筒与螺杆突棱的间隙δ3）调节机头流通系4）适当降低挤出温度5）适当增加螺杆长度♦影响熔体挤出破裂行为因素：1)口模的形状和尺寸2)挤出成型过程的工艺条件3)挤出物料的性质。