1、何继敏机电工程学院塑机所机电工程学院塑机所Polymer Processing Rheology 流流 变学是变学是 一门研究材料一门研究材料 流动及变形流动及变形 规律的科学规律的科学1 流变学概念很长时间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，而变形是固体（晶体）材料的特性 流体流动 粘性行为 ，其变形不可恢复并耗散能量；固体变形 弹性行为 ，形变能够恢复且形变时储存能量，恢复时还原能量 通常液体流动时遵守牛顿流动定律 ，且流动过程总是一个时 间过程，只有在一段时间内才能观察到材料的流动，而一般固体变形 遵守虎克定律 ，其应力、应变之间的响应为瞬时响应牛顿流体与虎克弹性体是两
2、类性质简化的抽象，实际材料往往表现出远为复杂的力学性质。高聚物熔体与溶液 ：既能流动，又能变形，既有粘性，又有弹性，变形中有粘性损耗，流动时有弹性记忆效应，粘弹性结合，流变性并存。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时间的不同。如两者的差别主要在于外力作用时间的长短及观察时间的不同。如地壳流动、水的反弹。地壳流动、水的反弹。1928年，美国物理化学家年，美国物理化学家 E.C.Bingham（ 宾汉）发明了宾汉）发明了 “ 流变学流变学 ” 这一这一术语，术语， 成立了 “ 流变学会 ” ，我国 1979年以后成立了全国流变学会。公元前五世纪
3、希腊著名唯物论哲学家赫拉克利特的名言公元前五世纪希腊著名唯物论哲学家赫拉克利特的名言 “ 万物皆流，万物皆变万物皆流，万物皆变 ”奇异的流变性质与其奇异的流变性质与其微观结构构之间的联系微观结构构之间的联系高分子材料加工工程高分子材料加工工程有关的理论与技术问题有关的理论与技术问题高聚物流变学高聚物流变学高分子结构流变学高分子结构流变学(微观流变学、分子流变学微观流变学、分子流变学 )高聚物加工流变学高聚物加工流变学（宏观流变学）（宏观流变学）2 高聚物特征流变现象高高 液液 位、高剪位、高剪切应力，高分子溶切应力，高分子溶液液 剪切变稀剪切变稀 ，粘度，粘度比牛顿流体小比牛顿流体小液面下降，
4、剪切液面下降，剪切力变小，高分子力变小，高分子溶液的粘度超过溶液的粘度超过牛顿流体牛顿流体随工艺条件的变化及剪切应力（或剪切速率）的不同，材料的粘随工艺条件的变化及剪切应力（或剪切速率）的不同，材料的粘度会发生度会发生 1 3个数量级的大幅度变化，是加工工艺中十分关注的问题个数量级的大幅度变化，是加工工艺中十分关注的问题t1t3牛顿流体牛顿流体（甘油的水溶液）（甘油的水溶液）高分子溶液高分子溶液（聚丙烯酰胺水溶液）（聚丙烯酰胺水溶液）t2管流与管流与 “ 剪切变稀剪切变稀 ” 现现象象1利用爬轴现象的几何结构创造利用爬轴现象的几何结构创造了熔体泵，也称法向应力挤出机了熔体泵，也称法向应力挤出机
5、盘式挤出机（ Maxwell， 1959） 串联式磨盘挤出机弹性液体，在剪切流弹性液体，在剪切流场中除有剪切应力外场中除有剪切应力外（ 粘性粘性 ），还存在法），还存在法向应力差（向应力差（ 弹性弹性 ）PA PB PA PB“ 爬轴爬轴 ” 效应效应BA BA牛顿流体牛顿流体 高分子溶液高分子溶液Weisenberg效应和法向应力效应和法向应力2当熔体从小孔，毛细管或窄缝中挤出时，当熔体从小孔，毛细管或窄缝中挤出时，Barus效应离模膨胀牛顿流体不具有这种效应牛顿流体不具有这种效应 高聚物熔体具有弹性记忆能力，高聚物熔体具有弹性记忆能力，由第一法向应力差造成由第一法向应力差造成T ， 或或
6、V ， 或加入填料或加入填料，高聚物熔体弹性下降，挤出，高聚物熔体弹性下降，挤出胀大现象明显减轻胀大现象明显减轻挤出胀大现象对挤出制品工艺及模具设计至关重要挤出胀大现象对挤出制品工艺及模具设计至关重要挤出胀大现象挤出胀大现象3挤出物的直径或厚度会明显大于孔道尺寸的现象挤出物的直径或厚度会明显大于孔道尺寸的现象熔体弹性熔体弹性 的的表现表现熔体弹性行为熔体弹性行为的典型表现的典型表现熔体破裂现象影响高聚物加工的质量和产率的提高熔体破裂现象影响高聚物加工的质量和产率的提高超高分子量聚乙烯当当 V （或（或 ），）， (临界剪切速率临界剪切速率 ）或）或 （ 临界剪切应力临界剪切应力 )， 出现弹性
7、湍流，流动不稳定，挤出物表面粗糙。出现弹性湍流，流动不稳定，挤出物表面粗糙。 波浪形波浪形鲨鱼皮状鲨鱼皮状竹节状竹节状螺旋形畸变螺旋形畸变不规则破裂不规则破裂不稳定流动和熔体破裂现象不稳定流动和熔体破裂现象4V ， 可能先后出现波浪形、鲨鱼皮状、竹节、螺旋型畸变，导致可能先后出现波浪形、鲨鱼皮状、竹节、螺旋型畸变，导致完全无规则的挤出物断裂，称之为完全无规则的挤出物断裂，称之为 熔体破裂熔体破裂3 高聚物熔体粘流态特征高聚物熔体粘流态特征无定形聚合物三种聚集态无定形聚合物三种聚集态 (力学三态力学三态 )： 玻璃态玻璃态 、 高弹态高弹态 、 粘流态粘流态聚合物结晶时产生相态变化聚合物结晶时产
8、生相态变化特征温度Tg 玻璃化温度Tf 粘流温度Tm 熔融温度Tg Tf形形变变 模模量量1233002001000-1001-天然橡胶天然橡胶2-聚氯乙烯（聚氯乙烯（ PVC)3-聚乙烯（结晶）聚乙烯（结晶） T（ ）高弹态高弹态玻璃态玻璃态 粘流态粘流态1实测的形变值实测的形变值 D总 实际上是三种形变的总和实际上是三种形变的总和 :D总 =D普弹 D高弹 D粘流所谓粘性，是指流体表现出的阻碍流动的性质，也称粘滞性所谓粘性，是指流体表现出的阻碍流动的性质，也称粘滞性 。流体流动时，。流体流动时，由于各部分之间存在相对运动，运动快慢的各层之间必定会发生摩擦，这种内部由于各部分之间存在相对运动
9、，运动快慢的各层之间必定会发生摩擦，这种内部摩擦总是起阻碍流动的作用，所以摩擦总是起阻碍流动的作用，所以 粘性是流体内摩擦的一种表现粘性是流体内摩擦的一种表现 。熔体的粘性是聚合物加工中的一个突出重要的流变性质。熔体的粘性是聚合物加工中的一个突出重要的流变性质。4 粘粘 性流体的分类性流体的分类dFdy运动面运动面y剪切流动示意图剪切流动示意图静止面静止面（ 1）关于流体层之间摩擦阻力，即粘性，牛关于流体层之间摩擦阻力，即粘性，牛顿粘性定律认为，流体运动快、慢层之间的顿粘性定律认为，流体运动快、慢层之间的内摩擦阻力与层间接触面积内摩擦阻力与层间接触面积 A和层间速度差和层间速度差 v成成 正比
10、，与层间距离正比，与层间距离 y成反比，即成反比，即式中，式中， dv/dy是是 速度梯度，速度梯度， 为剪切速率，为剪切速率， 为为粘滞粘滞 系数，常称剪切粘度，表示流体粘性的大小系数，常称剪切粘度，表示流体粘性的大小流体内部抵抗流动的阻力称为流体内部抵抗流动的阻力称为 粘度粘度 ，以对流体的剪切应力与剪切速率之比表示，以对流体的剪切应力与剪切速率之比表示。式。式 (1)就是牛顿内摩擦定律的描述。凡是服从牛顿粘性定律的流体统称为就是牛顿内摩擦定律的描述。凡是服从牛顿粘性定律的流体统称为 牛顿流体牛顿流体，所有气体和低分子液体，所有气体和低分子液体 (如水，甲苯等如水，甲苯等 )均属于牛顿流体
11、，否则为均属于牛顿流体，否则为 非牛顿流体非牛顿流体 。大多数聚合物熔体为大多数聚合物熔体为 型曲线，显示出表观粘度依赖于剪切速率的非牛顿型曲线，显示出表观粘度依赖于剪切速率的非牛顿性，属于性，属于 假塑性流体假塑性流体 ，其主要特征为剪切粘度随剪切速率的增大而减小。，其主要特征为剪切粘度随剪切速率的增大而减小。当当 时，时， 呈线性关系，粘度趋于常数，称呈线性关系，粘度趋于常数，称 零切粘度零切粘度 0,这一这一区域称区域称 线性流动区线性流动区 或或 第一牛顿区第一牛顿区 当超过临界剪切速率当超过临界剪切速率 后，后， 出现出现 剪切变稀剪切变稀 行为，这一区域是高聚行为，这一区域是高聚物
12、加工的典型流动区。物加工的典型流动区。 假塑性区域假塑性区域 当当 时，时， 称称 无穷剪切粘度无穷剪切粘度 ,这一区域称这一区域称 第二牛顿区。第二牛顿区。 型曲线，呈现出型曲线，呈现出 剪切增稠剪切增稠 的流动行为，通称为的流动行为，通称为 膨胀性流体，膨胀性流体， 如如 PVC溶胶、溶胶、玉米面糊玉米面糊 )； 型曲线，称为型曲线，称为 塑性流体或塑性流体或 Bingham流体流体 ，如涂料和糊剂中的胶乳，如涂料和糊剂中的胶乳聚合物体系、浓悬浮液体系、细砂悬浮液、陶瓷、石油钻井的泥浆等。聚合物体系、浓悬浮液体系、细砂悬浮液、陶瓷、石油钻井的泥浆等。 （ n 1)牛顿牛顿 n=1 （ n 1) 0 几种不同流体的典型流动曲线几种不同流体的典型流动曲线加工范围加工范围典型的典型的 关系曲线关系曲线101(s-1) 103(s-1)y
