第二章 流变学的基本概念

二．非牛顿流动
实际上大多数液体不符合牛顿粘度定律， 实际上大多数液体不符合牛顿粘度定律，如高分子溶 胶体溶液、乳剂、混悬剂、软膏以及固液、胶体溶液、乳剂、混悬剂、软膏以及固-液的不均匀 体系的流动。把这种不遵循牛顿粘度定律的物质称为非牛 不遵循牛顿粘度定律的物质称为 体系的流动。把这种不遵循牛顿粘度定律的物质称为非牛 顿流体，这种物质的流动现象称为非牛顿流动 非牛顿流动。 顿流体，这种物质的流动现象称为非牛顿流动。 非牛顿流体的剪切速度D和剪切应力S的变化规律，经 非牛顿流体的剪切速度D和剪切应力S的变化规律， 作图后可得四种曲线的类型：塑性流动、假塑性流动、 作图后可得四种曲线的类型：塑性流动、假塑性流动、胀 形流动、触变流动。 形流动、触变流动。 对于非牛顿流体可以用旋转粘度计进行测定。 对于非牛顿流体可以用旋转粘度计进行测定。
对于这种粘弹性， 对于这种粘弹性，我们用弹性模型化的弹簧和把 粘性通过模型的缓冲器的复合型模型加以表示： 粘性通过模型的缓冲器的复合型模型加以表示： 麦克斯韦尔（Maxwell） （一）麦克斯韦尔（Maxwell）模型 福格特（Voigt） （二）福格特（Voigt）模型 （三）双重粘弹性模型 （四）多重粘弹性模型
胀性液体的流动公式： 胀性液体的流动公式： /η D= Sn /ηa n<1，为胀性流体； n<1，为胀性流体； 当n接近1时，流动接近牛顿流动。 接近1 流动接近牛顿流动。
（d）胀性流动
胀性流体的结构变化示意图
• 胀性流动的特点：没屈伏值；过原点；切应速度很小时， 胀性流动的特点：没屈伏值；过原点；切应速度很小时， 液体流动速度较大，当切应速度逐渐增加时， 液体流动速度较大，当切应速度逐渐增加时，液体流动速度 逐渐减小，液体对流动的阻力增加，表观粘度增加， 逐渐减小，液体对流动的阻力增加，表观粘度增加，流动曲 线向上弯曲。 线向上弯曲。 • 在制剂中表现为胀性流动的剂型为含有大量固体微粒的高 浓度混悬剂如50%淀粉混悬剂、糊剂等。 50%淀粉混悬剂 浓度混悬剂如50%淀粉混悬剂、糊剂等。

变形：施加适当的力系于物质上而使其形状和大小发生的变化。

流动：当变形的程度随时间而变化时就成为流动。

区别：变形是固属，流动是液属。

外力作用时间的长短及观察时间的不同。

稳定流动：流体在输送通道中流动时，任何部位的流动状况保持恒定，一切影响流体流动的因素都不随时间而改变。

不稳定流动：流体在输送通道中流动时，其流动状况随时间而改变。

次级流动：高分子液体在均匀压力梯度下通过非圆形管道流动，或通过截面有变化的流道时，在其主要的纯轴向流动上，附加出现局部区域的环形流动。

孔压误差：在凹槽附近流线发生弯曲，产生了背向凹槽的法向应力，使凹槽的传感器测得的液体内压值小于平直时的测值。

弯流压差：高分子液体流经弯道时，内侧壁受到的压力要高于外侧壁的压力。

Toms效应：在高速的管道湍流中，加入少许高分子物质，如聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺等，则管道的阻力将大为减小的现象。

触变性：流体的粘度随流动时间的延长而下降。

（触变材料是假塑性体，反之不定）震凝性：流体的粘度随流动时间的延长而上升。

（震凝材料是胀流体，反之不定）剪切流动：不同平面间两质点发生的相对位移，质点速度仅沿与流动方向垂直的方向变化。

拉伸流动：同一平面中两质点间距离的延长，质点速度仅沿流动方向变化。

层流：流体沿管轴作有规则的平行线状流动，各质点互不碰撞，互不混合。

湍流：总体轴向流动+径向随机波动。

质点作不规则的杂乱运动，并相互碰撞，产生大大小小的漩涡。

区别：是否存在速度、压强的脉动性。

过渡流：不是独立流型（层+湍），流体处于不稳定状态（易发生流型转变）。

剪切应力：单位面积上所受的剪切力F/A为τ。

粘度：动力粘度、运动粘度和相对粘度的通称。

常把动力学粘度称为粘度。

运动粘度：动力粘度/流体密度。

相对粘度：流体的动力粘度与同温度下的水的动力粘度之比。

有时也指高分子溶液的动力粘度与同温度下的纯溶剂的动力粘度之比。

相对流动度指数：在给定的剪切速率下，测定熔体相差10℃或40℃的两个温度下剪切粘度的比值。

变形可逆并完全恢复
流变学的非线性弹性理论来描述此类橡胶弹性理论
2.取向态 在力场和温度场等作用下，分子链将沿着外场方 向进行排列，聚合物的取向现象包括分子量、链 段、晶片和晶粒等取向
基本特征： 一维或二维有序结晶 高分子材料的力学性能、热性能和光学性能 等呈现各向异性
3.液晶态 ：介于有序晶态和无序的液态之间的一种中间状
bc
体积的分数变化
△V/V＝[(1＋)(1－)2-1] 由于<<1，<<1，故
△V/V≈－2
拉伸时，>1，<1，>0，>0， 压缩时，<1，>1，<0，<0，即长度缩小，截面增大
2.2.3 简单剪切和简单剪切流动 （Simple shear and simple shearing flow）
＝w/l=tan 称为剪切应变（Shear strain） 如应变很小，即 <<1，可近似地认为＝
分散体
剪切速率较高时，假塑性非牛顿流体
在剪切速率不断提高时，膨胀性的非 牛顿流体 三维结构的凝胶体 ，宾汉流体
聚合物形态的转变 ——聚合物形态的热Байду номын сангаас变
发生相交
线弹性体
线性粘性流体
发生相交
图1.1比容－温度曲线 (a)低分子材料 (b)结晶性高聚物
并非每种无 定形高聚物都 有这三种状态
图1.2 无定形聚合物的变形-温度曲线 （恒定外力作用下）
(1)多样性
分子结构有线性结构、交联结构、网状结构等
分子链可以呈刚性或柔性
流变行为多种多样，固体高聚物的变形可呈 现线性弹性、橡胶弹性及粘弹性。聚合物溶液 和熔体的流动则可呈现线性粘性、非线性粘性 、塑性、触变性等

特点 材料均匀、各向同性，材料被施加的应力及发生的应变也 是均匀和各向同性，即应力、应变与坐标及其方向无关
2.2 应变（Strain）
2.2.1 各向同性的压缩和膨胀 （Isotropic compression and expansion）
a′＝a b′＝b
比 更常见 和更常用
c′＝c
2.取向态 在力场和温度场等作用下，分子链将沿着外场方 向进行排列，聚合物的取向现象包括分子量、链 段、晶片和晶粒等取向 基本特征： 一维或二维有序结晶
高分子材料的力学性能、热性能和光学性能 等呈现各向异性
3.液晶态 ：介于有序晶态和无序的液态之间的一种中间状 态 优势：独特的流动性能 液晶纺丝时可避 a.溶致型液晶（Lyotropen mesophasem）
在各向同性压缩实验中，材料的应变应为其体积的变 化分数△V/V。所加应力用压力 P来表示，则 P＝－K△V/V0
K为弹性常数，称为体积 模量（Bulk modulus）
B＝1/K △V/V0=－BP
B为体积柔量（ Bulk compliance）
由于△V/V＝3，故P＝－3K
3.1.3 简单剪切实验 （Simple shear）
2.2.3 简单剪切和简单剪切流动 （Simple shear and simple shearing flow）
＝w/l=tan
称为剪切应变（Shear strain）
如应变很小，即 <<1，可近似地认为＝
对液体来说，变形随时间变化 ，其变形可用剪切速率 （Rate of shear）来表示
图3.4 交联聚合物（橡胶）的拉伸模量与温度的关系
高分子流变学
纺织与材料学院
主要内容
第一章 绪论（1） 第二章 流变学的基本概念（2） 第三章 线性弹性（3）