聚合物加工课件流变行为

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1、32聚合物熔体的流变行为聚合物熔体的流变行为3影响聚合物流变行为的主要因素影响聚合物流变行为的主要因素本章教学内容本章教学内容1基础知识；基础知识；4、聚合物流体在管和槽中的流动聚合物流体在管和槽中的流动 研究材料流动和变形的科学研究材料流动和变形的科学 聚合物流变学是指研究聚合物及其流体变形与流动聚合物流变学是指研究聚合物及其流体变形与流动 特性的科学特性的科学 聚合物流变学聚合物流变学(熔体熔体,溶液溶液)生物流变学生物流变学(血液血液,关节滑液关节滑液)润滑剂润滑剂,悬浮体流变学悬浮体流变学流变学流变学聚合物流变学聚合物流变学结构流变学结构流变学(微观微观,分子流变学分子流变学)加工流变

2、学加工流变学(宏观流变学宏观流变学)流变测量学流变测量学流变行为与数学模式流变行为与数学模式 一、线性弹性一、线性弹性(虎克弹性虎克弹性) 线性弹性也称为虎克弹性，应力与应变之间存在线性关系线性弹性也称为虎克弹性，应力与应变之间存在线性关系Hooke定律：定律：C为弹性常数为弹性常数ct1t2t t1t2t 线性弹性变形线性弹性变形判断题判断题 二二、线性粘性流动线性粘性流动(牛顿流体牛顿流体) 牛顿流动定律：牛顿流动定律： = 牛顿流体：符合牛顿流动定律的牛顿流体：符合牛顿流动定律的流体流体 如：水、甘油如：水、甘油 粘度为流体发生单位速度梯粘度为流体发生单位速度梯度时单位面积上所受到的剪切

3、力。度时单位面积上所受到的剪切力。反映了液体分子间的相互作用而反映了液体分子间的相互作用而产生的流动阻力，即内摩擦力的产生的流动阻力，即内摩擦力的大小。大小。 变形的时间依赖性变形的时间依赖性: : =/=d/dt=/=d/dt，=(/)t=(/)t 即变形随时间而发展即变形随时间而发展t1 tt1 t 流动形变不可回复流动形变不可回复, ,能量散失为热能量散失为热; ; 与应变速率无关与应变速率无关, ,应力与应变速率呈正比关系应力与应变速率呈正比关系; ; 三三、非线性弹性非线性弹性(橡胶弹性橡胶弹性) 形变量大，且可逆；形变量大，且可逆； 有时间依赖性有时间依赖性( (表现为推迟高弹形变

4、表现为推迟高弹形变, ,但当达到平衡形变但当达到平衡形变后后, ,应力与应变的关系对时间的依赖性小应力与应变的关系对时间的依赖性小) ) 小应变时符合线性弹性小应变时符合线性弹性； 变形时有热效应；变形时有热效应； 弹性模量随温度增加而增加弹性模量随温度增加而增加。t1 t (平衡应变平衡应变) 0 问问题题垂直悬挂一砝码于橡胶筋下，使之呈拉伸状态，当周围的环垂直悬挂一砝码于橡胶筋下，使之呈拉伸状态，当周围的环境温度升高时，将观察到什么现象？并对此现象进行解释境温度升高时，将观察到什么现象？并对此现象进行解释 四四、非线性粘性非线性粘性(非牛顿流体非牛顿流体) 粘度的剪切速率依赖性粘度的剪切速

5、率依赖性一一 假塑性假塑性 (pseudoplastic)或剪切稀化或剪切稀化(shear-thinning)二二 膨胀性膨胀性 (dilatancy)或剪切稠化或剪切稠化(shear-thickening)在粘流态下，材料的形变除有不可逆的流动成份外，还有部在粘流态下，材料的形变除有不可逆的流动成份外，还有部分可逆的弹性形变成份，因此这种流动称为流变性，或称为分可逆的弹性形变成份，因此这种流动称为流变性，或称为“弹性流动弹性流动”或或“类橡胶液体流动类橡胶液体流动”。 有弹性表现有弹性表现 五五、线性粘弹性线性粘弹性 应力和应变或应力和应变速率成线性关系应力和应变或应力和应变速率成线性关系聚

6、合物熔体的形变可分为：聚合物熔体的形变可分为：恢复形变恢复形变和和粘性流动产生的粘性流动产生的形变形变如果形变的时间尺度比聚合如果形变的时间尺度比聚合物熔体的松弛时间大很多，物熔体的松弛时间大很多，则形变主要反映粘性流动，则形变主要反映粘性流动，因为弹性形变在此时间内几因为弹性形变在此时间内几乎都松弛了；乎都松弛了；恢复形变恢复形变粘性流动产生的形变粘性流动产生的形变RS如果形变的时间尺度比聚合物熔体的松弛时间小很多，则形变如果形变的时间尺度比聚合物熔体的松弛时间小很多，则形变主要反映弹性，因为此时粘性流动产生的形变还很小。主要反映弹性，因为此时粘性流动产生的形变还很小。聚合物的分子量大，分布

7、宽时，熔体的弹性表现显著；聚合物的分子量大，分布宽时，熔体的弹性表现显著； 分子量大分子量大 熔体粘度大，松弛时间长熔体粘度大，松弛时间长 ，弹性形变松弛得慢；，弹性形变松弛得慢； 分子量分布宽，松弛时间分布也宽，熔体的弹性表现显著分子量分布宽，松弛时间分布也宽，熔体的弹性表现显著. 前四种模式表示高聚物在一定条件下表现出的性状前四种模式表示高聚物在一定条件下表现出的性状: :线性弹线性弹性适于温度玻璃化温度的聚合物和高度交联的聚合物性适于温度玻璃化温度的聚合物和高度交联的聚合物; ;非线非线性弹性适于温度玻璃化温度时部分交联的聚合物性弹性适于温度玻璃化温度时部分交联的聚合物; ;前者指应前者

8、指应力与应变的关系是瞬间发生的力与应变的关系是瞬间发生的, ,以后不随时间而变化以后不随时间而变化; ;后者则后者则在达到平衡应变后在达到平衡应变后, ,不再随时间变化不再随时间变化. . 线性和非线性粘性粘性适于高聚物溶液及高聚物熔体线性和非线性粘性粘性适于高聚物溶液及高聚物熔体, ,实质实质上上a a高聚物有多重运动单元往往在外场作用同时表现出弹性和粘高聚物有多重运动单元往往在外场作用同时表现出弹性和粘性性 b b应充分考虑分子运动单元的运动时间依赖性应充分考虑分子运动单元的运动时间依赖性. . 一般情况下一般情况下, ,高聚物用粘弹性表示高聚物用粘弹性表示, ,应力较小时应力较小时, ,

9、用线性粘弹用线性粘弹性表示性表示; ;而应力大时而应力大时, ,则为非线性粘弹性则为非线性粘弹性. . 总结总结拉伸应力拉伸应力 = F / A0 （A0为材料的起始截面积）为材料的起始截面积）拉伸应变（相对伸长率）拉伸应变（相对伸长率）e = （l - l0）/l0 = l / l0简单拉伸示意图简单拉伸示意图A0l0lD D lAFF 材料在拉伸作用下产生的形变称为拉伸应变，也称相对伸材料在拉伸作用下产生的形变称为拉伸应变，也称相对伸长率（长率（e e）。）。 简单剪切简单剪切(shearing)(shearing) 材料受到与截面平行、大小相等、方向相反，但不材料受到与截面平行、大小相等

10、、方向相反，但不在一条直线上的两个外力作用，使材料发生偏斜。其偏在一条直线上的两个外力作用，使材料发生偏斜。其偏斜角的正切值定义为剪切应变（斜角的正切值定义为剪切应变（ ）。）。A0FF 简单剪切示意图简单剪切示意图 剪切应变剪切应变 = tg 剪切应力剪切应力 s = F / A0 均匀压缩（均匀压缩（pressurizing)pressurizing) 材料受到均匀压力压缩时发生的体积形变称材料受到均匀压力压缩时发生的体积形变称压缩应变（压缩应变（ V V）。）。A0材料经压缩以后，体积由材料经压缩以后，体积由V0缩小为缩小为V，则压缩应变：，则压缩应变： V = （V0 - V）/ V0

11、 = V / V0 牛顿流体：剪切流动时，内部只有剪切力，无拉伸压缩牛顿流体：剪切流动时，内部只有剪切力，无拉伸压缩应力（正应力）；应力（正应力）； 粘弹性高分子流体：剪切流动时，内部既有剪切力，又粘弹性高分子流体：剪切流动时，内部既有剪切力，又有正应力有正应力 层流与湍流层流与湍流 层流指的是流体在平直导管中受剪切应力时，发生流动的形式。层流指的是流体在平直导管中受剪切应力时，发生流动的形式。层流时层流时,流体可看作许多彼此平行的流层沿外力方向相对滑移流体可看作许多彼此平行的流层沿外力方向相对滑移,同同一流层之间各点速度彼此相同一流层之间各点速度彼此相同,但各层间速度不等但各层间速度不等,各