毛細(xì)管流變儀原理介紹-全

1、聚合物流變學(xué) 主要內(nèi)容 基本概念 流變學(xué)定義（Definition of rheology） 剪切流動(dòng)（Shear） 拉伸流動(dòng)（Extensional） 流變學(xué)-Rheology 流變學(xué)是研究材料流動(dòng)流動(dòng)與變形變形的學(xué)科 Rheology: rheo (to flow) + logos (science) 流變學(xué)是力學(xué)中一門較新的分支學(xué)科，它主要研究各種材流變學(xué)是力學(xué)中一門較新的分支學(xué)科，它主要研究各種材 料在應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、濕度、輻射等條件中與時(shí)間有關(guān)的變料在應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、濕度、輻射等條件中與時(shí)間有關(guān)的變 形和流動(dòng)的規(guī)律。形和流動(dòng)的規(guī)律。 研究方法研究方法 主要有宏觀與微觀兩種：主要有

2、宏觀與微觀兩種： 宏觀法即經(jīng)典的唯象研究方法，是將聚合物看作由連續(xù)質(zhì)宏觀法即經(jīng)典的唯象研究方法，是將聚合物看作由連續(xù)質(zhì) 點(diǎn)組成，材料性能是位置的連續(xù)函數(shù)，研究材料的性能是從建點(diǎn)組成，材料性能是位置的連續(xù)函數(shù)，研究材料的性能是從建 立粘彈模型出發(fā)立粘彈模型出發(fā), ,進(jìn)行應(yīng)力進(jìn)行應(yīng)力- -應(yīng)變或應(yīng)變速率分析。應(yīng)變或應(yīng)變速率分析。 微觀法即分子流變學(xué)方法，是從分子運(yùn)動(dòng)的角度出發(fā)，對(duì)微觀法即分子流變學(xué)方法，是從分子運(yùn)動(dòng)的角度出發(fā)，對(duì) 材料的力學(xué)行為和分子運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行相互關(guān)聯(lián)，提出材料結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)行為和分子運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行相互關(guān)聯(lián)，提出材料結(jié)構(gòu) 與宏觀流變行為的聯(lián)系。與宏觀流變行為的聯(lián)系。( (珠簧相空間

3、理論、分子網(wǎng)絡(luò)理論、珠簧相空間理論、分子網(wǎng)絡(luò)理論、 蛇行管理論）蛇行管理論） 領(lǐng)域 聚合物聚合物 我們需要理解熔體流動(dòng)性能，從 而設(shè)計(jì)模具等 食品食品 良好的外觀、質(zhì)地和加工特性 涂料涂料 儲(chǔ)存壽命和表面流平性能 墨水墨水 打印清晰度和準(zhǔn)確計(jì)量 醫(yī)藥醫(yī)藥 正確的配方定量，沉降性能等 還有：泥漿、鉆井液、瀝青、橡膠等 聚合物加工實(shí)例 流變學(xué)研究對(duì)象：流變學(xué)研究對(duì)象： 包括非牛頓流體、粘彈性固體和流體與固體之間的物質(zhì)（如包括非牛頓流體、粘彈性固體和流體與固體之間的物質(zhì)（如 懸浮體）。懸浮體）。 對(duì)于高分子來說，絕大多數(shù)的成型加工都是熔融狀態(tài)下進(jìn)行對(duì)于高分子來說，絕大多數(shù)的成型加工都是熔融狀態(tài)下進(jìn)行

4、 的，特別是熱塑性塑料加工。因此，高聚物在粘流溫度下的的，特別是熱塑性塑料加工。因此，高聚物在粘流溫度下的 流動(dòng)性和彈性，是其成型加工的首要性能。流動(dòng)性和彈性，是其成型加工的首要性能。 非牛頓流體定義：凡不服從牛頓粘性定律的流體稱為非牛頓非牛頓流體定義：凡不服從牛頓粘性定律的流體稱為非牛頓 流體。流體。 即：在一定溫度下，流體剪切應(yīng)力與剪切速率不成正比的線即：在一定溫度下，流體剪切應(yīng)力與剪切速率不成正比的線 性關(guān)系，其粘度不是常數(shù)，而是隨剪切應(yīng)力或剪切速率而變性關(guān)系，其粘度不是常數(shù)，而是隨剪切應(yīng)力或剪切速率而變 化的非牛頓粘度化的非牛頓粘度。 剪切形變-流變學(xué)基本定義 剪切應(yīng)力（Shear s

5、tress, ） 單位面積所受的剪切力 剪切應(yīng)變（Shear strain, ） 剪切形變除以高度 剪切（應(yīng)變）速率（Shear rate, ） 剪切應(yīng)變的快慢 剪切粘度（Shear viscosity, ） 剪切應(yīng)力除以剪切速率 . 解釋 : 應(yīng)力：?jiǎn)挝幻娣e上的力 (多少) 應(yīng)變：相對(duì)樣品尺寸上的變形幅度 (多大) 剪切速率：隨時(shí)間應(yīng)變的變化率 (多快) 剪切粘度：在一定的條件下熔體是否容易流動(dòng) 基本概念-剪切 a d b A 假設(shè)一個(gè)立方體的長(zhǎng)寬高分別為a，b，d。 面積A = ab 高 = d 基本概念-剪切應(yīng)力（Shear stress） 單位面積所受的剪切力（The applied

6、force per unit area） 1 N/m2 = 1 Pa )(m (N) 2 A F 剪切應(yīng)力Pa 基本概念-剪切應(yīng)變（Shear strain） 剪切應(yīng)變 （Shear strain）被簡(jiǎn)稱為應(yīng)變（Strain）， 剪切時(shí)物體所產(chǎn)生的相對(duì)形變量 無量綱，常常用%表示 剪切應(yīng)變無量綱 (m) (m) d u 基本概念-剪切速率（Shear rate） 剪切應(yīng)變速率（Shear strain rate）或者剪切 速率（Shear rate） ，表示剪切應(yīng)變快慢 單位 s-1 剪切速率S-1(s)t 剪切粘度(Shear viscosity) 粘度就是流動(dòng)的阻力 粘度越大，越難流動(dòng)（蜂

7、蜜，酸奶等） 粘度越小，越容易流動(dòng)（水等） 剪切粘度 = 剪切應(yīng)力（施加外力）（施加外力） 剪切速率（運(yùn)動(dòng)速度）（運(yùn)動(dòng)速度） Pa.s 單位（Unit） Pascal second Pa.s (SI) Poise P (CGS) 1 Pa.s = 10 P, 1 mPa.s = 1 cP 粘度大流動(dòng)性差：這是因?yàn)楦叻肿渔湹牧髡扯却罅鲃?dòng)性差：這是因?yàn)楦叻肿渔湹牧?動(dòng)是通過鏈段的相繼位移來實(shí)現(xiàn)分子鏈的動(dòng)是通過鏈段的相繼位移來實(shí)現(xiàn)分子鏈的 整體遷移，類似蚯蚓的蠕動(dòng)。整體遷移，類似蚯蚓的蠕動(dòng)。 不符合流動(dòng)規(guī)律：在流動(dòng)的過程中粘度隨不符合流動(dòng)規(guī)律：在流動(dòng)的過程中粘度隨 剪切速率的增加而下降。剪切速率的增

8、加而下降。 熔體流動(dòng)時(shí)伴隨高彈形變：因?yàn)樵谕饬ψ魅垠w流動(dòng)時(shí)伴隨高彈形變：因?yàn)樵谕饬ψ?用下，高分子鏈沿著外力作用發(fā)生伸展，用下，高分子鏈沿著外力作用發(fā)生伸展， 當(dāng)外力消失后，分子鏈又由伸展變?yōu)榫砬?，?dāng)外力消失后，分子鏈又由伸展變?yōu)榫砬?使形變部分恢復(fù)，表現(xiàn)出彈性行為。使形變部分恢復(fù)，表現(xiàn)出彈性行為。 高聚物流體高聚物流體 彈性：分子鏈構(gòu)象不斷變化彈性：分子鏈構(gòu)象不斷變化 分子鏈構(gòu)象的變化分子鏈構(gòu)象的變化 粘性：流動(dòng)中分子鏈相對(duì)運(yùn)動(dòng)粘性：流動(dòng)中分子鏈相對(duì)運(yùn)動(dòng) 以粘度的倒數(shù)表示流動(dòng)性。按作用方式的不同以粘度的倒數(shù)表示流動(dòng)性。按作用方式的不同,流動(dòng)可分為剪切流動(dòng)和流動(dòng)可分為剪切流動(dòng)和 拉伸流動(dòng)拉伸

9、流動(dòng),相應(yīng)地有剪切粘度和拉伸粘度。前者為切應(yīng)力與切變速率之相應(yīng)地有剪切粘度和拉伸粘度。前者為切應(yīng)力與切變速率之 比；后者為拉伸應(yīng)力與拉伸應(yīng)變速度之比。聚合物的結(jié)構(gòu)不同，流動(dòng)性比；后者為拉伸應(yīng)力與拉伸應(yīng)變速度之比。聚合物的結(jié)構(gòu)不同，流動(dòng)性 （或粘度）就不同。對(duì)于聚合物熔體，大多數(shù)是屬于假塑性液體（或粘度）就不同。對(duì)于聚合物熔體，大多數(shù)是屬于假塑性液體,其剪其剪 切粘度隨剪切應(yīng)力的增加而降低切粘度隨剪切應(yīng)力的增加而降低,同時(shí)測(cè)試條件（溫度、壓力）、分子同時(shí)測(cè)試條件（溫度、壓力）、分子 參數(shù)（分子量及其分布、支化度等）和添加劑參數(shù)（分子量及其分布、支化度等）和添加劑(填料、增塑劑、潤(rùn)滑劑填料、增塑劑

10、、潤(rùn)滑劑 等等)等因素對(duì)剪切粘度等因素對(duì)剪切粘度-剪切應(yīng)力曲線的移動(dòng)方向均有影響。對(duì)于拉伸粘剪切應(yīng)力曲線的移動(dòng)方向均有影響。對(duì)于拉伸粘 度，當(dāng)應(yīng)變速率很低時(shí)，單向拉伸的拉伸粘度約為剪切粘度的度，當(dāng)應(yīng)變速率很低時(shí)，單向拉伸的拉伸粘度約為剪切粘度的 3倍，而倍，而 雙向相等的拉伸，其拉伸粘度約為剪切粘度的雙向相等的拉伸，其拉伸粘度約為剪切粘度的6倍。拉伸粘度隨拉伸應(yīng)倍。拉伸粘度隨拉伸應(yīng) 力增大而增大力增大而增大,即使在某些情況下有所下降，其下降的幅度遠(yuǎn)較剪切粘即使在某些情況下有所下降，其下降的幅度遠(yuǎn)較剪切粘 度的小。因此，在大的應(yīng)力作用下，拉伸粘度往往要比剪切粘度大一二度的小。因此，在大的應(yīng)力作用

11、下，拉伸粘度往往要比剪切粘度大一二 個(gè)數(shù)量級(jí)，這可使化學(xué)纖維紡絲過程更為容易和穩(wěn)定。個(gè)數(shù)量級(jí)，這可使化學(xué)纖維紡絲過程更為容易和穩(wěn)定。 粘度的影響因素 材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（材料配方、顆粒大小、顆粒分 布、分子量等） 溫度（一般來說，溫度越高，粘度越低） 剪切速率（或者拉伸速率） 時(shí)間 （觸變性） 壓力 ),(tPTC 典型的流動(dòng)曲線（Flow behavior） Shear Rate e.g. 硅油, 懸浮液 Stress Shear Rate 牛頓流體牛頓流體假塑性流體假塑性流體 脹塑性流體脹塑性流體 Stress Shear Rate Stress Shear Rate Viscosity Vi

12、scosity Shear Rate Viscosity Shear Rate e.g. 聚合物熔體e.g. PVC糊等 剪切變稀剪切變稀剪切增稠剪切增稠 流動(dòng)曲線 Viscosity Flow Curves 施加不同的剪切速率，剪切速率和剪切粘度關(guān)系圖為 Log . 大部分樣品，特別是聚合物具有這種特性 實(shí)際上，對(duì)于聚合物，經(jīng)常測(cè)量的范圍是剪切變稀區(qū) 域 Log 零剪切平臺(tái) 剪切變稀 / 指數(shù) 定律區(qū)域 第二牛頓平臺(tái) Log Log 分子分子 纏結(jié)纏結(jié) 纏結(jié)速度纏結(jié)速度=解纏結(jié)速度解纏結(jié)速度纏結(jié)速度纏結(jié)速度解纏接速度解纏接速度分子鏈遭到破壞，無纏結(jié)分子鏈遭到破壞，無纏結(jié)纏結(jié)速度纏結(jié)速度=解纏

13、結(jié)速度解纏結(jié)速度 流動(dòng)類型分類流動(dòng)類型分類 拉伸流動(dòng)測(cè)試 速度梯度方向平行于流動(dòng)方向速度梯度方向平行于流動(dòng)方向, ,例例: :吹塑成型中離開吹塑成型中離開 ?？诤蟮牧鲃?dòng)?？诤蟮牧鲃?dòng), ,紡絲中離開噴絲口后的牽伸紡絲中離開噴絲口后的牽伸. . 流動(dòng)方向流動(dòng)方向 速度梯度的方向速度梯度的方向 拉伸粘度（拉伸粘度（ t t）: : 基本概念-拉伸 法向力 (Normal Force) 拉伸應(yīng)力 拉伸應(yīng)變 拉伸速率 )(m (N) 2 A F (m) (m) u d ( )t s Pa 無量綱 1/s a t t B A C B: t 與與 無關(guān)無關(guān): 聚合度低的線性高物聚合度低的線性高物:POM、P

14、A-66 A： t 隨隨 而而, 支化聚合物。如支化支化聚合物。如支化PE C： t 隨隨 而而, 高聚合度高聚合度PP 拉伸粘度與拉伸應(yīng)力的關(guān)系拉伸粘度與拉伸應(yīng)力的關(guān)系: :高拉伸應(yīng)變速率高拉伸應(yīng)變速率 在低拉伸應(yīng)變速率下，熔體服從特魯頓關(guān)系式在低拉伸應(yīng)變速率下，熔體服從特魯頓關(guān)系式 拉伸粘度（拉伸粘度（ t t）曲線曲線 E 3 s 從結(jié)構(gòu)變化分析從結(jié)構(gòu)變化分析: :拉伸流動(dòng)中會(huì)發(fā)生鏈纏結(jié)拉伸流動(dòng)中會(huì)發(fā)生鏈纏結(jié), ,使拉伸粘度降使拉伸粘度降 低低, ,但同時(shí)鏈發(fā)生伸展并沿流動(dòng)方向取向但同時(shí)鏈發(fā)生伸展并沿流動(dòng)方向取向, ,分子間相互作用分子間相互作用 增加增加, ,流動(dòng)阻力增加流動(dòng)阻力增加,

15、 ,伸展粘度變大伸展粘度變大. .拉伸粘度取決于這兩個(gè)拉伸粘度取決于這兩個(gè) 因素哪一個(gè)占優(yōu)勢(shì)因素哪一個(gè)占優(yōu)勢(shì). . 拉伸粘度與拉伸應(yīng)變速率的關(guān)系拉伸粘度與拉伸應(yīng)變速率的關(guān)系 Log e Log e 平臺(tái) 粘度變小 應(yīng)變硬化 原始曲線 由于聚合物流體流動(dòng)時(shí)，伴隨有高彈形變的產(chǎn)生和 貯存，故外力除去后會(huì)發(fā)生回縮等現(xiàn)象,例如:塑料 、橡膠擠出后和纖維紡絲后會(huì)發(fā)生斷面尺寸增大而 長(zhǎng)度縮短的離模膨脹現(xiàn)象，或稱彈性記憶效應(yīng)；攪 動(dòng)時(shí)流體會(huì)沿桿上升，這種爬桿現(xiàn)象稱韋森堡效應(yīng) 或法向應(yīng)力效應(yīng)。此外，聚合物加工時(shí)，半成品或 成品表面不光滑，出現(xiàn)“橘子皮”和“鯊魚皮”， 出現(xiàn)波浪、竹節(jié)、直徑有規(guī)律的脈動(dòng)、螺旋形畸

16、變 甚至支離破碎等影響制品質(zhì)量的熔體破裂和不穩(wěn)定 流動(dòng)等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象主要與熔體彈性有關(guān)。 高分子熔體流動(dòng)中的彈性效應(yīng)高分子熔體流動(dòng)中的彈性效應(yīng) 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，幾種粘度相近、分子量分布大致相同的聚乙烯熔體，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，幾種粘度相近、分子量分布大致相同的聚乙烯熔體， 其加工行為卻有很大差異，分析得知，這些差異主要因?yàn)椴煌浼庸ば袨閰s有很大差異，分析得知，這些差異主要因?yàn)椴煌?熔體的彈性行為（拉伸粘度和法向應(yīng)力差）不同引起的。熔體的彈性行為（拉伸粘度和法向應(yīng)力差）不同引起的。 高分子液體流動(dòng)時(shí)，表現(xiàn)出形形色色的奇異彈性行為。高分子液體流動(dòng)時(shí)，表現(xiàn)出形形色色的奇異彈性行為。 主要有擠出過程中的擠出脹大現(xiàn)象

17、，不穩(wěn)定流動(dòng)和熔體破裂主要有擠出過程中的擠出脹大現(xiàn)象，不穩(wěn)定流動(dòng)和熔體破裂 現(xiàn)象，現(xiàn)象，“爬桿爬桿”現(xiàn)象（現(xiàn)象（Weissenberg效應(yīng)），拉伸流動(dòng)等。效應(yīng)），拉伸流動(dòng)等。 高分子液體的彈性屬于熵彈性。在流動(dòng)過程中，材料的粘性高分子液體的彈性屬于熵彈性。在流動(dòng)過程中，材料的粘性 行為和彈性行為交織在一起，使流變性十分復(fù)雜。研究高分行為和彈性行為交織在一起，使流變性十分復(fù)雜。研究高分 子液體的彈性規(guī)律性對(duì)高分子材料加工也十分重要。子液體的彈性規(guī)律性對(duì)高分子材料加工也十分重要。 離模膨脹 應(yīng)力松弛 入口效應(yīng) 熔體破裂 離模膨脹 應(yīng)力松弛 入口效應(yīng) 熔體破裂 擠出脹大現(xiàn)象擠出脹大現(xiàn)象 擠出脹大現(xiàn)象

18、及其說明擠出脹大現(xiàn)象及其說明 擠出脹大現(xiàn)象又稱口型膨脹效應(yīng)或擠出脹大現(xiàn)象又稱口型膨脹效應(yīng)或Barus效應(yīng)，是指高分子熔體被效應(yīng)，是指高分子熔體被 強(qiáng)迫擠出口模時(shí)，擠出物尺寸大于口模尺寸，截面形狀也發(fā)生變化的現(xiàn)象。強(qiáng)迫擠出口模時(shí)，擠出物尺寸大于口模尺寸，截面形狀也發(fā)生變化的現(xiàn)象。 對(duì)圓型口模，擠出脹大比對(duì)圓型口模，擠出脹大比B定義為：定義為： DdB i / i d式中式中D 為口模直徑，為口模直徑， 為完全松弛的擠出物直徑。為完全松弛的擠出物直徑。 擠出脹大 （1 1）擠出脹大現(xiàn)象是高分子液體具有彈性的典型表現(xiàn)。從彈性形變角度）擠出脹大現(xiàn)象是高分子液體具有彈性的典型表現(xiàn)。從彈性形變角度 看，熔

19、體在進(jìn)入口模前的入口區(qū)受到強(qiáng)烈拉伸作用，發(fā)生彈性形變。這看，熔體在進(jìn)入口模前的入口區(qū)受到強(qiáng)烈拉伸作用，發(fā)生彈性形變。這 種形變雖然在口模內(nèi)部流動(dòng)時(shí)得到部分松弛，但由于高分子材料的松弛種形變雖然在口模內(nèi)部流動(dòng)時(shí)得到部分松弛，但由于高分子材料的松弛 時(shí)間一般較長(zhǎng)，直到口模出口處仍有部分保留，于是在擠出口模失去約時(shí)間一般較長(zhǎng)，直到口模出口處仍有部分保留，于是在擠出口模失去約 束后，發(fā)生彈性恢復(fù)，使擠出物脹大。束后，發(fā)生彈性恢復(fù)，使擠出物脹大。 （2 2）從熵彈性角度考慮，無規(guī)線團(tuán)狀的大分子鏈在口模入口區(qū)被強(qiáng)烈）從熵彈性角度考慮，無規(guī)線團(tuán)狀的大分子鏈在口模入口區(qū)被強(qiáng)烈 拉伸，構(gòu)象發(fā)生改變，構(gòu)象熵減少。

20、同樣這種構(gòu)象變化在口模內(nèi)部部分拉伸，構(gòu)象發(fā)生改變，構(gòu)象熵減少。同樣這種構(gòu)象變化在口模內(nèi)部部分 得到松弛，但仍有部分直到擠出口模后才回復(fù)。擠出后的分子鏈回復(fù)到得到松弛，但仍有部分直到擠出口模后才回復(fù)。擠出后的分子鏈回復(fù)到 新的無規(guī)線團(tuán)構(gòu)象，使熵值升高而脹大。新的無規(guī)線團(tuán)構(gòu)象，使熵值升高而脹大。 （3 3）實(shí)驗(yàn)表明，一切影響高分子熔體彈性的因素都對(duì)擠出脹大行為有）實(shí)驗(yàn)表明，一切影響高分子熔體彈性的因素都對(duì)擠出脹大行為有 影響。如擠出溫度升高，或擠出速度下降，或體系中加入填料而導(dǎo)致影響。如擠出溫度升高，或擠出速度下降，或體系中加入填料而導(dǎo)致 高分子熔體彈性形變減少時(shí)，擠出脹大現(xiàn)象明顯減輕。高分子熔體

21、彈性形變減少時(shí)，擠出脹大現(xiàn)象明顯減輕。 擠出脹大現(xiàn)象擠出脹大現(xiàn)象 彈性液體則不然，彈性液體流動(dòng)時(shí)，除有剪切應(yīng)力外，作用在三個(gè)彈性液體則不然，彈性液體流動(dòng)時(shí)，除有剪切應(yīng)力外，作用在三個(gè) 正交面元上的法向應(yīng)力也不相等，使液體既發(fā)生粘性形變（表現(xiàn)為有粘正交面元上的法向應(yīng)力也不相等，使液體既發(fā)生粘性形變（表現(xiàn)為有粘 度，消耗能量），又發(fā)生彈性形變（表現(xiàn)為有法向應(yīng)力差，貯存能量）。度，消耗能量），又發(fā)生彈性形變（表現(xiàn)為有法向應(yīng)力差，貯存能量）。 定義法向應(yīng)力差函數(shù)定義法向應(yīng)力差函數(shù) ， ，用以描述液，用以描述液 體的彈性。高分子液體發(fā)生體的彈性。高分子液體發(fā)生“爬桿爬桿”現(xiàn)象，正是由于法向應(yīng)力差效應(yīng)引現(xiàn)

22、象，正是由于法向應(yīng)力差效應(yīng)引 起的。起的。 法向應(yīng)力差效應(yīng)是彈性液體特有的效應(yīng)。法向應(yīng)力差效應(yīng)是彈性液體特有的效應(yīng)。 純粘性液體流動(dòng)時(shí)，內(nèi)部流體元上所受的應(yīng)力主要在外表面的切純粘性液體流動(dòng)時(shí)，內(nèi)部流體元上所受的應(yīng)力主要在外表面的切 線方向，稱剪切應(yīng)力，是一種摩擦力，它引起流體元剪切變形。面線方向，稱剪切應(yīng)力，是一種摩擦力，它引起流體元剪切變形。面 元的法線方向雖然也有應(yīng)力（稱法向應(yīng)力，主要為壓力和拉力），元的法線方向雖然也有應(yīng)力（稱法向應(yīng)力，主要為壓力和拉力）， 但由于液體沒有彈性，不可壓縮，因此三個(gè)正交面元上的法向應(yīng)力但由于液體沒有彈性，不可壓縮，因此三個(gè)正交面元上的法向應(yīng)力 相等。相等。

23、法向應(yīng)力差效應(yīng)法向應(yīng)力差效應(yīng) 332211 2211 3322 離模膨脹 應(yīng)力松弛 入口效應(yīng) 熔體破裂 應(yīng)力松弛 所謂應(yīng)力松弛，就是在固定的溫度和形變下，聚合物內(nèi)部的應(yīng)力隨時(shí) 間增加而逐漸衰減的現(xiàn)象。即材料在恒定應(yīng)變下，應(yīng)力隨著時(shí)間的變 化而減小至某個(gè)有限值，這一過程稱為應(yīng)力松弛。這是材料的結(jié)構(gòu)重 新調(diào)整的另一種現(xiàn)象。 這種現(xiàn)象也在日常生活中能觀察到，例如橡膠松緊帶開始使用時(shí)感覺 比較緊，用過一段時(shí)間后越來越松。也就是說，實(shí)現(xiàn)同樣的形變量， 所需的力越來越少。未交聯(lián)的橡膠應(yīng)力松弛較快，而且應(yīng)力能完全松 弛到零，但交聯(lián)的橡膠，不能完全松弛到零。 應(yīng)力松弛（Stress relaxation） 施

24、加恒定應(yīng)變（形變） 觀察應(yīng)力隨時(shí)間的變化 Time (s) 0.0010.010.1110100 Strain % 瞬間階躍應(yīng)變 恒定應(yīng)變 10 1.0 0.1 0.01 0.001 Time (s) 0.0010.010.1110100 Stress Pa 施加應(yīng)變施加應(yīng)變保持恒定應(yīng)變保持恒定應(yīng)變 10 1.0 0.1 0.01 粘性材料 -應(yīng)力衰減 -瞬間 彈性材料 應(yīng)力恒定 粘彈性響應(yīng)（Viscous & Elastic Reponse） 應(yīng)力松弛的分子機(jī)理 線形聚合物的應(yīng)力松弛的分子機(jī)理如圖所示，拉伸時(shí)張力迅速作用使纏繞的分 子鏈伸長(zhǎng)，但這種伸直的構(gòu)象時(shí)不平衡的，由于熱運(yùn)動(dòng)分子鏈會(huì)重新

25、卷曲，但 形變量被固定不變，于是鏈可能解纏結(jié)而轉(zhuǎn)入新的無規(guī)卷曲的平衡態(tài)，于是應(yīng) 力松弛為零。交聯(lián)聚合物不能解纏結(jié)，因而應(yīng)力不能松弛到零。 1 松弛實(shí)驗(yàn)松弛實(shí)驗(yàn) 松弛時(shí)間松弛時(shí)間：材料開始松弛到剪切應(yīng)力下降至初始值/e所需時(shí)間 評(píng)定時(shí)間評(píng)定時(shí)間T：材料開始松弛到測(cè)量值與計(jì)算值相差超過10所需時(shí)間 應(yīng)用 應(yīng)力松弛同樣也有重要的實(shí)際意義。成型過程中總離不開應(yīng)力松弛同樣也有重要的實(shí)際意義。成型過程中總離不開 應(yīng)力，在固化成制品的過程中應(yīng)力來不及完全松弛，或多應(yīng)力，在固化成制品的過程中應(yīng)力來不及完全松弛，或多 或少會(huì)被凍結(jié)在制品內(nèi)。這種殘存的內(nèi)應(yīng)力在制品的存放或少會(huì)被凍結(jié)在制品內(nèi)。這種殘存的內(nèi)應(yīng)力在制品

26、的存放 和使用過程中會(huì)慢慢發(fā)生松弛，從而引起制品翹曲、變形和使用過程中會(huì)慢慢發(fā)生松弛，從而引起制品翹曲、變形 甚至應(yīng)力開裂。消除的辦法時(shí)退火或溶脹（如纖維熱定形甚至應(yīng)力開裂。消除的辦法時(shí)退火或溶脹（如纖維熱定形 時(shí)吹入水蒸汽）以加速應(yīng)力松弛過程。時(shí)吹入水蒸汽）以加速應(yīng)力松弛過程。 離模膨脹 應(yīng)力松弛 入口效應(yīng) 熔體破裂 P=pen+pvis+pex 05101520253035-5 Capillary L/D 0 20 40 60 80 100 Pressure Drop (bar) Correction Pressure Pc bar is determined at zero die le

27、ngth The extra die length c is determined at P=0 bar 選擇三根長(zhǎng)徑比不同的毛細(xì)管，在同一體積流量下，測(cè)量壓差P與長(zhǎng)徑 比L/D的關(guān)系并作圖，將直線延長(zhǎng)與P軸相交，其縱向截距等于入口壓力 降Pent；繼續(xù)延長(zhǎng)與L/D軸相交，其橫向截距等于LB/D=e0/2。 Linear fit :Polynominal fit : 離模膨脹 應(yīng)力松弛 入口效應(yīng) 熔體破裂 不穩(wěn)定流動(dòng)和熔體破裂現(xiàn)象不穩(wěn)定流動(dòng)和熔體破裂現(xiàn)象 不穩(wěn)定流動(dòng)的擠出物外觀示意圖不穩(wěn)定流動(dòng)的擠出物外觀示意圖 實(shí)驗(yàn)表明，高分子熔體從口模擠出時(shí)，當(dāng)擠出速率（或?qū)嶒?yàn)表明，高分子熔體從口模擠出時(shí)，

28、當(dāng)擠出速率（或 剪切應(yīng)力）超過某一臨界剪切速率剪切應(yīng)力）超過某一臨界剪切速率 （或臨界剪切應(yīng)（或臨界剪切應(yīng) 力力 ），容易出現(xiàn)彈性湍流，導(dǎo)致流動(dòng)不穩(wěn)定，擠出物表），容易出現(xiàn)彈性湍流，導(dǎo)致流動(dòng)不穩(wěn)定，擠出物表 面粗糙。面粗糙。 隨擠出速率的增大，可能先后出現(xiàn)波浪形、鯊魚皮形、隨擠出速率的增大，可能先后出現(xiàn)波浪形、鯊魚皮形、 竹節(jié)形、螺旋形畸變，最后導(dǎo)致完全無規(guī)則的熔體破裂竹節(jié)形、螺旋形畸變，最后導(dǎo)致完全無規(guī)則的熔體破裂 c c （3）從形變能的觀點(diǎn)看，高分子熔體的彈性貯能本領(lǐng)是有限的。當(dāng)外）從形變能的觀點(diǎn)看，高分子熔體的彈性貯能本領(lǐng)是有限的。當(dāng)外 力作用速率很大，外界賦予熔體的形變能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出熔體可承受的極限力作用速率很大，外界賦予熔體的形變能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出熔體可承受的極限 時(shí)，多余的能量將以其它形式表現(xiàn)出來，其中產(chǎn)生新表面、消耗表面時(shí)，多余的能量將以其