1、Qingdao University of Science and TechnologyQingdao， 2011高分子材料流变学Rheology of Polymer Materials 青岛科技大学School of Polymer Science & Engineering高 分 子 科 学 与 工 程 学 院王新 杨文君青岛科技大学School of Polymer Science & Engineering高 分 子 科 学 与 工 程 学 院研究高分子材料流变性的意义高分子熔体和溶液具有流动性和可塑性，是高分子材料可以加工成型不同形状制品的依据；研究流变规律性，对于聚合工程和聚合物
2、加工工程的合理设计、优化和正确操作，实现高产、优质、低耗具有指导意义；在当前高分子工程中，流变学设计已成为分子设计，材料设计，制品设计及模具与机械设计的重要组成部分。主要内容第 1章 高分子液体的奇异流变性和流动机理1 1 奇异的流变性质1 2 高分子黏流态特征及流动机理第 2章 高分子液体的基本流变性质2 1 基本物理量与基本流变函数2 2 假塑性流体的流动规律2 3 关于 “ 剪切变稀 ” 和熔体弹性的说明第 3章 关于高分子液体黏弹性的讨论3 1 影响剪切黏度的主要因素3 2 高分子液体弹性效应的描述第 4章 剪切黏度的测量方法4 1 毛细管流变仪测量表观剪切黏度4 2 恒速式双毛细管流
3、变仪简介4 3 锥板型转子流变仪简介4 4 落球式黏度计的测量原理第 5章 高分子熔体流动不稳定性5 1 挤出过程中的畸变和熔体破裂行为5 2 纺丝成型过程中的拉伸共振现象 第 6章 加工成型过程的流变分析 6.1压延工艺的流变分析6.2挤出成型的流变分析6.3 注射成型的流变分析青岛科技大学School of Polymer Science & Engineering高 分 子 科 学 与 工 程 学 院第一章 高分子液体的奇异流变性和流动机理1 1 奇异的流变性质“剪切变稀 ”行为（ shear-thinning） :多数高分子液体的黏度随剪切速率增大而下降 。“剪切变稠 ”效应（ she
4、ar-thickening） :呈少数高分子体系，如高浓度的聚氯乙烯塑料溶胶、高浓度填充体系等，黏度随剪切速率增大反常地升高 。通常把具有 “剪切变稀 ”效应的流体称假塑性流体（ pseudoplastic fluid）， 具有 “剪切变稠 ”效应的流体称胀流性流体（ dilatant fluid）。 它们均属于非牛顿流体范畴。1）高黏度与 “剪切变稀 ”行为2）挤出胀大现象图 8-1 挤出胀大效应示意图又称口模膨胀效应（ die swell）或 Barus效应青岛科技大学School of Polymer Science & Engineering高 分 子 科 学 与 工 程 学 院3）
5、爬杆现象 （ Weissenberg效应）又称 Weissenberg效应。出现原因也被归结为高分子液体是一种弹性液体，具有法向应力差效应。图 8-2 高分子液体 “爬杆 ”效应示意图 4） 挤出畸变 和 熔体破裂 现象光滑 20 s-1光滑 30 s-1鲨鱼 皮畸 变100 s-1鲨鱼 皮畸 变200 s-1黏 -滑 转变300 s-1螺 纹 状畸 变800 s-1螺 纹 状畸 变1000 s-1熔体破裂2000 s-1图 8-3 不同挤出速率下 LLDPE熔体挤出物外观照片 青岛科技大学School of Polymer Science & Engineering高 分 子 科 学 与 工
6、 程 学 院这些现象也与高分子液体的弹性有关。由于有弹性因此液体能承受拉伸形变，产生拉伸流动，且拉伸液流的自由表面相当稳定。这是高分子液体具有良好纺丝（一维拉伸）和成膜（一维或二维拉伸）能力的根据。5）无管虹吸，拉伸流动和可纺性图 8-4 无管虹吸和侧壁虹吸效应示意图（ N表示牛顿流体， P表示高分子液体） 青岛科技大学School of Polymer Science & Engineering高 分 子 科 学 与 工 程 学 院1 .2 高分子黏流态特征及流动机理黏流态 高分子材料的黏流态，指温度处于黏流温度（ Tf） 和分解温度（Td） 之间的一种凝聚态。从宏观看，黏流态主要特征是在外
7、力场作用下，熔体产生不可逆永久变形和流动。微观看，发生黏性流动时分子链产生重心相对位移的整链运动。非晶态线形高分子材料的形变 -温度曲线示意图ML、 MH分别代表低分子量和高分子量 低结晶度线形高分子材料的形变 -温度曲线示意图ML、 MH分别代表低分子量和高分子量 青岛科技大学School of Polymer Science & Engineering高 分 子 科 学 与 工 程 学 院研究表明，黏流态下大分子流动的基本结构单元并不是分子整链，而是链段，分子整链的运动是通过链段的相继运动实现的。研究高分子黏流活化能时发现，当熔体分子量很低时，随分子量增大而增大。分子量达到一定值后，值趋于
8、恒定。与该恒定值对应的最低分子量相当于由 20-30个 C原子组成的链段的大小，说明熔体流动的基本结构单元是链段。 表 8-2 部分聚合物的流动温度聚合物 流动温度 / 聚合物 流动温度 /天然橡胶 126-160 聚丙烯 200-220低压聚乙烯 170-200 聚甲基丙烯酸甲 酯 190-250聚氯乙烯 165-190 尼龙 66 250-270聚苯乙烯 170 聚甲醛 170-190流动机理 School of Polymer Science & Engineering高 分 子 科 学 与 工 程 学 院青岛科技大学第二章 高分子液体的基本流变性质2 1 基本物理量与基本流变函数2 1
9、 1 剪切应力分量和法向应力分量实际材料受外力作用后内应力状态十分复杂。分析某点附近立方体三个正交独立平面上的应力综合，就能完整描述该点的应力状态。图 8-6 单位立方体上各应力分量的位置关系应力定义为外力或外力矩作用下材料内部或表面单位面积上的响应力，单位为 Pa（ 1Pa = 1N/m2）或 MPa (1MPa = 106 Pa)。应力分两类：一类应力作用在相应面元的法线方向上，称 法向应力分量 ；一类应力作用在相应面元的切线方向上，称 剪切应力分量 。青岛科技大学School of Polymer Science & Engineering高 分 子 科 学 与 工 程 学 院高分子液体
10、流动时三个法向应力分量互不相等，存在法向应力差（ normal stress difference）。 通常定义两个法向应力差函数描写这种性质：第一法向 应 力差 第二法向 应 力差 式中 称偏 应 力分量， p为 各向同性水 压力。剪切应力 反应了液体流动时的内摩擦，表现为黏性。法向应力 反应了液体所受的挤压和拉伸，表现为弹性。小分子液体流动时，三个法向应力相等，因此小分子液体无弹性，只有黏性。三个法向应力分量互不相等是高分子液体具有弹性的表现，因此高分子液体称黏弹性液体。法向应力差函数可作为描述液体弹性的物理量。青岛科技大学School of Polymer Science & Engineering高 分 子 科 学 与 工 程 学 院2 1 2 速度梯度和形变速率单位时间内发生的形变。在剪切流场中称 剪切速率 （ shear rate）； 在拉伸流场中称 拉伸速率 （ elongation rate）。形变速率图 8-7 简单剪切流场示意图
