第24讲 牛顿流体和非牛顿流体及熔体切粘度的测定方法

表观粘度 Apparent viscosity
For Newtonian liquid, the viscosity
.
const
Therefore, for nonNewtonian liquid, defining
a
.
the apparent viscosity
Substitute
.n
K
. n 1
工业中 的应用
塑料的挤出、吹塑、注射、浇注 溶液纺丝
熔融态加工对某些聚合物除外
(1) 交联聚合物：硫化橡胶、 酚醛、环氧树脂
(2) 分解温度Td <Tf 的聚合物： 聚丙烯腈PAN、聚乙烯醇
(3) 刚性极大：如Kevlar
结构特点
高聚物的流动行为是高聚物分子运动的表现， 反映了高聚物的组成、结构、分子量及其分 布等结构特点。
加工过程中流动场
分子结晶、取向排列
薄膜和纤维等的力学性质
9.1 Newtonian liquid and non-Newtonian liquid (牛顿流体和非牛顿流体)
9.1.1三种理想状态
(1) Ideal elastic solid E 服从虎克定律
(2)
Ideal
viscous
liquid
第九章 聚合物的流变性
本章教学内容、要求及目的
教学内容：牛顿流体和非牛顿流体； 聚合物的切
粘度 ； 聚合物熔体的弹性表现 。
重点要求：掌握由于聚合物是长链大分子所带来的流
动特征与小分子的不同，重点学习粘度的影响因素及改 善加工流动性的方法。
教学目的：通过本章的学习，根据高分子链本身的结
构特点，全面理解和掌握聚合物熔体流动的特点和影响 流动的各种因素，学会通过分子结构判断流动性好坏， 并指导加工。
.
d
服从牛顿定律
dt
(3) 宾汉流体 Bingham liquid
y y
E
.
d
dt
图示
Ideal elastic solid
Bingham liquid
Ideal viscous liquid
9.1.2 聚合物熔体流动特点
（1）粘度大，流动性差: 这是因为高分子
链的流动是通过链段的相继位移来实现分子 链的整体迁移，类似蚯蚓的蠕动
的增加而下降的流体(大部分聚合物熔体是假 塑性流体)。WHY： 用缠结理论解释。
膨胀性流体：粘度随剪切速率或剪切应力
的增加而上升的流体。 WHY： 用体积膨胀 理论来解释。
流凝体
流凝体
聚合物胶乳 聚合物熔体-填料 油漆连接料+颜料
9.1.4 高聚物流体的流动规律
聚合物熔体的剪切应力与剪切速率关系
（2）不符合牛顿流动规律：在流动过程
中粘度随切变速率的增加而下降（剪切变稀）
（3）熔体流动时伴随高弹形变：因为在
外力作用下，高分子链沿外力方向发生伸展 取向，当外力消失后，分子链又由伸展变为 卷曲，使形变部分恢复，表现出弹性行为
9.1.3聚合物流体的非牛顿性
弹性：分子链构象不断变化
高聚物流体
粘性：流动中分子链相对移动
Dilatant 膨胀性流体
表观粘度和剪切速率的关系
假塑性流体
Ideal Bingham liquid
Newton liquid
膨胀性流体
滞回流动曲线
牛顿流体
低剪切速率下的 水 甘油 高分子熔体和溶液
宾汉流体
油漆 沥青 高分子的良溶剂的浓溶液
假塑性流体和膨胀性流体
假塑性流体：粘度随剪切速率或剪切应力
—— 非牛顿流体
非牛顿流体的流变行为用幂律方程表示
.n
K
K, n = const.
稠度指数K和流动指数n
流动指数 n 亦称非牛顿指数，表示该种
流体与牛顿流体的偏差程度
.n
K
n=1, 牛顿流体 n >1, 膨胀性流体
流凝体
n < 1, 假塑性流体 触变体
n与1相 差越大， 偏离牛顿 流体的程 度越强
粘性流动（不可逆形变），
流 弹性变形（可逆形变）； 变 高聚物链结构的不均一性（如分子量分布和支化） 性 能 分散体系的不均匀性（如颗粒大小、填料的不均一性） 分 高聚物在加工过程中有化学降解和热氧降解等等 析 形变的不均匀性
温度的不均匀—性—等等是。一个十分复杂的体系
流变行为影响最终产品的力学性质
落球粘度计
• 适合于高粘度 低剪切速率下 粘度测定
=
2（s -）ga2
9v
1
2.104
d D
2.09
d D
2
• ρ熔体密度 ρs落球密度 a落球半径 • v落球速度 d落球直径 D粘度管直径
旋转粘度计
• 旋转粘度计
•适合于剪切速 率在10~1000s-1 的 粘度测定
毛细管挤出粘度计
第二牛顿区：剪切速率很高时，缠结遭破坏， 再缠结困难，缠结点几乎不存在，表观粘度再
次维持恒定，定为，称牛顿极限粘度，又类
似牛顿流体行ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ。
9.2 聚合物熔体的切粘度测定聚 合物熔体粘度的方法
9.2.1 测定聚合物熔体粘度的方法
落球粘度计 毛细管流变仪 简单介绍 旋转粘度计
落球粘度计
• 适合于高粘度 低剪切速率下 粘度测定
• 适合于剪切速率在10~106 s-1 • 切应力为104~106N/m2的 粘度测定
• 熔体指数：聚丙烯 190度，2. 16Kg砝码， 10min内流出的熔体克数
表观粘度与形变速率有关 a K
Bingham plastic
Yield pseudoplasticTHIXOTROPIC 触变体
Yield dilatantRHEOPECTIC 流凝体
剪切应力与剪切速率的关系
Ideal Bingham plastic Pseudoplastic 假塑性流体 Newtonian liquid
第二十四讲 牛顿流体和非牛顿流体及 熔体切粘度的测定方法
主要内容：
牛顿流体和非牛顿流体
• 牛顿流体和非牛顿流体 • 聚合物粘性流动的特点
聚合物的切粘度
聚合物熔体切粘度的测定方法
重点：聚合物熔体的流动特点，为什么聚合物
熔体为假塑性流体
什么是流变学？
流形 动变
高聚物流变定义
当高聚物熔体和溶液（简称流体）在
受外力作用时，既表现粘性流动，又 表现出弹性形变，因此称为高聚物流
体的流变性或流变行为。
当温度T 高于非晶态聚合物的Tf 、晶态聚 合物的Tm时，聚合物变为可流动的粘流
态或称熔融态，形变随时间发展，并且不
可逆。热塑性聚合物的加工成型大多
是利用其熔体的流动性能。这种流动态也
是高聚物溶液的主要加工状态。
斜率＝1
斜率＝1
表观粘度和剪切速率的关系
0
零切粘度
幂律区
牛顿极限粘度
第一牛顿区 幂律区（假塑区） 第二牛顿区
Explanation
第一牛顿区：低剪切速率时，缠结与解缠结速 率处于一个动态平衡，表观粘度保持恒定，定
为0，称零切粘度，类似牛顿流体。
幂律区：剪切速率升高到一定值，解缠结速度 快，再缠结速度慢，流体表观粘度随剪切速率 增加而减小，即剪切稀化，呈假塑性行为。