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高分子物理第九章9-1讲述
聚合物的流变性(Rheological property of polymers ) 第九章 主要内容 前言 9.1牛顿流体和非牛顿流体 9.2 聚合物熔体的切黏度 9.3 多组分聚合物材料的流变行为 9.4 聚合物熔体的弹性效应 9.5 拉伸黏度 本章教学内容、要求及目的 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 掌握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。 根据高分子链本身的结构特点,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。 学习目的: 重点要求: 教学内容: 什么是流 变 学? 流动 形变 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,既表现黏性流动,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黏流态或称熔融态,形变随时间发展,并且不可逆。 聚合物的流动并不是高分子链之间的简单滑移,而是运动单元依次跃迁的结果。(蚯蚓蠕动) 聚合物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。 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。 弹性形变及其后的松驰影响制品的外观,尺寸稳定性。 纤维:拉伸(溶液,熔融纺丝) 塑料:挤出、吹塑、注射、浇注 工业中的应用 温度T 高于Tf 或Tm时,聚合物变为粘流态或熔融态。加工成型大多是利用其熔体的流动性能。 橡胶: 聚合物的流变学对聚合物的成型加工提供理论指导 Extruder 挤出机 注射机 吹塑机 浇注机 Spinning纺丝机 熔融态加工对某些聚合物除外 交联聚合物:硫化橡胶、酚醛、环氧树脂 分解温度Td Tf 的聚合物:聚丙烯腈PAN、聚乙烯醇 刚性极大:如Kevlar 熔融纺丝 溶液纺丝 高聚物熔体和溶液体系的流变行为的复杂性 ——是一个十分复杂的体系 粘性流动(不可逆形变)与弹性变形(可逆形变); 高聚物链结构的不均一性(如分子量分布和支化); 分散体系的不均匀性(如颗粒大小、填料的不均一性); 高聚物在加工过程中有化学降解和热氧降解。 形变的不均匀性、温度的不均匀性; 9.1.1 牛顿流体 9.1 牛顿流体和非牛顿流体 牛顿流动定律(Newtonian fluid law):设平行板流动流体中液层之间的距离为dy,液层所受的切应力为τ,上下二层速度差为dV,则液层的速度梯度为dV/dy。实验证明,切应力与速度梯度成正比,即: 切应力 剪切形变 切应力 剪切形变 切变速率 =速度梯度 牛顿流动定律 单位速度梯度时单位面积上所受到的切应力,反映了液体分子间由于相互作用而产生的流动阻力,即内摩擦力的大小。 粘度 ? Viscosity 流动速率 凡流动行为符合牛顿流动定律的流体就称为牛顿流体。 例:典型的牛顿流体有甘油、水,聚合物的稀溶液 牛顿流体的粘度在一定温度下为常数,仅与流体分子的结构和温度有关,与切应力或切变速率无关。 9.1.2 非牛顿流体 非牛顿流体:切应力与切变速率之间的关系不遵循牛顿定律的流体。 例:聚合物的熔体,浓溶液,聚合物分散体系(如胶乳)以及填充体系等。 根据流动曲线的特征 宾汉塑性体:具有一个屈服值流动前需要最小切应力,呈现塑性。如油漆、沥青。 宾汉方程:σ-σy = η 假塑性体:切力变稀,大多数聚合物熔体。 膨胀体:切力变稠,胶乳、悬浮体系等。 非牛顿流体 剪切应力与剪切速率的关系 Ideal Bingham 宾汉流体 Pseudoplastic 假塑性流体(切力变稀) Dilatant 膨胀性流体 (切力变稠) Newtonian liquid 牛顿流体 高聚物良溶剂中的浓溶液 For non-Newtonian liquid 牙膏、油漆、沥青 水、甘油 高聚物的悬浮液,分散体系,填充体系等 表观切黏度 τy 大多数聚合物熔体 粘度和剪切速率的关系 Ideal Bingham liquid 假塑性流体 膨胀性流体 Newton liquid 假塑性流体和膨胀性流体 假塑性流体:黏度随剪切速率或剪切应力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:黏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。 切变速率不仅依赖于切应力的大小,而且还与切应力施加的时间有关。 与时间有关的非牛顿流体 触变性流体:在恒温和恒定的切变速率下,切应力随时间而递减(即粘度随时间而递减)的流体,如油墨、冻胶、某些高分子浓溶液(如涂料)等。 流凝性流体:在恒温和恒定切变速
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