聚合物熔體的流變性ppt課件

1、第三節(jié)第三節(jié) 聚合物熔體的流聚合物熔體的流變性變性 熱塑性塑料的成型加工：加熱塑化、熱塑性塑料的成型加工：加熱塑化、流動(dòng)成型和冷卻固化；流動(dòng)成型和冷卻固化； 合成纖維的紡絲、橡膠制品的成型；合成纖維的紡絲、橡膠制品的成型； 高聚物的聚集態(tài)構(gòu)造也是在加工中構(gòu)高聚物的聚集態(tài)構(gòu)造也是在加工中構(gòu)成的。成的。1 1剪切應(yīng)力剪切應(yīng)力 ：AFy一根本概念一根本概念1 1粘度的定義粘度的定義2 2剪切速率剪切速率3 3粘度粘度：2 2流動(dòng)曲線流動(dòng)曲線定義定義就是剪切應(yīng)力就是剪切應(yīng)力( () )與剪切速率與剪切速率( () )的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線3 3牛頓流體牛頓流體粘度不隨剪切應(yīng)力和剪切速率的大小而粘度不隨剪

2、切應(yīng)力和剪切速率的大小而改動(dòng)，一直堅(jiān)持常數(shù)的流體，稱為牛頓改動(dòng)，一直堅(jiān)持常數(shù)的流體，稱為牛頓流體流體 為常數(shù)為常數(shù)4 4非牛頓流體非牛頓流體 不是常數(shù)不是常數(shù) 非牛頓流體的剪切應(yīng)力和剪切速率非牛頓流體的剪切應(yīng)力和剪切速率之間不呈直線關(guān)系，通常采用之間不呈直線關(guān)系，通常采用“冪次定律冪次定律的閱歷方程來描畫其流動(dòng)行為。的閱歷方程來描畫其流動(dòng)行為。 = K nK：常數(shù)；非稠度：常數(shù)；非稠度n：流動(dòng)指數(shù)。：流動(dòng)指數(shù)。非牛頓流體：非牛頓流體： 粘度隨剪切應(yīng)力和剪切速粘度隨剪切應(yīng)力和剪切速率的變化而改動(dòng)的流體。率的變化而改動(dòng)的流體。1 1粘度與時(shí)間無關(guān)粘度與時(shí)間無關(guān)1 1假塑性流體假塑性流體二非牛頓流體

3、的類型二非牛頓流體的類型粘度隨剪切速率的添加而粘度隨剪切速率的添加而減小，即剪切變稀減小，即剪切變稀n1n1在聚合物熔體和濃溶液在聚合物熔體和濃溶液中稀有，在聚合物乳液、中稀有，在聚合物乳液、懸浮液中常見。懸浮液中常見。3賓漢流體賓漢流體又稱塑性流體又稱塑性流體在剪切力小于某一臨界在剪切力小于某一臨界值值y y 時(shí)不發(fā)生流動(dòng)，時(shí)不發(fā)生流動(dòng)，而超越而超越 y y 后，那么可后，那么可像牛頓流體一樣流動(dòng)。像牛頓流體一樣流動(dòng)。呈現(xiàn)這種行為的物質(zhì)有泥漿、牙膏和油脂等，涂呈現(xiàn)這種行為的物質(zhì)有泥漿、牙膏和油脂等，涂料特別需求具有這種塑性。料特別需求具有這種塑性。4 4非賓漢流體非賓漢流體( (了解了解 又

4、稱非塑性流體。同賓漢流體類似，又稱非塑性流體。同賓漢流體類似，但超越但超越y(tǒng) y 后，其流動(dòng)不符合牛頓流后，其流動(dòng)不符合牛頓流體，即流動(dòng)曲線是非線性的。體，即流動(dòng)曲線是非線性的。2 2粘度與時(shí)間有關(guān)的粘度與時(shí)間有關(guān)的1 1觸變性流體觸變性流體 在恒定的剪切速率下或剪切在恒定的剪切速率下或剪切應(yīng)力，流體的粘度隨時(shí)間的添加應(yīng)力，流體的粘度隨時(shí)間的添加而降低，這種流體稱為觸變性流體而降低，這種流體稱為觸變性流體或搖溶液體。或搖溶液體。 凍膠是最常見的典型觸變物質(zhì)。凍膠是最常見的典型觸變物質(zhì)。2 2震凝性流體震凝性流體 在恒定的剪切速率下或剪切應(yīng)在恒定的剪切速率下或剪切應(yīng)力，流體的粘度隨時(shí)間的添加而添

5、加，力，流體的粘度隨時(shí)間的添加而添加，這種流體稱為震凝性流體或搖凝液這種流體稱為震凝性流體或搖凝液體，或反觸變流體。體，或反觸變流體。 變稠與某種構(gòu)造的構(gòu)成有關(guān)。變稠與某種構(gòu)造的構(gòu)成有關(guān)。三高聚物粘性流動(dòng)的特點(diǎn)三高聚物粘性流動(dòng)的特點(diǎn)1 1高分子的流動(dòng)是經(jīng)過鏈段的位移運(yùn)動(dòng)來完成的高分子的流動(dòng)是經(jīng)過鏈段的位移運(yùn)動(dòng)來完成的 小分子的流動(dòng)，可用簡(jiǎn)單模型描畫。小分子的流動(dòng)，可用簡(jiǎn)單模型描畫。 低分子液體中存在許多與分子尺寸相當(dāng)?shù)目昭?。低分子液體中存在許多與分子尺寸相當(dāng)?shù)目昭ā?外力存在使分子沿作用力方向躍遷的幾率比其他外力存在使分子沿作用力方向躍遷的幾率比其他方向大。方向大。溫度升高，分子熱運(yùn)動(dòng)能量添加

6、，液體中的空穴溫度升高，分子熱運(yùn)動(dòng)能量添加，液體中的空穴也隨著添加和膨脹，流動(dòng)的阻力減小。液體的粘也隨著添加和膨脹，流動(dòng)的阻力減小。液體的粘度與溫度度與溫度 T T 之間有如下關(guān)系。之間有如下關(guān)系。RTEAe/流動(dòng)活化能，分子向穴躍遷時(shí)抑制流動(dòng)活化能，分子向穴躍遷時(shí)抑制周圍分子作用所需求的能量；周圍分子作用所需求的能量；粘度粘度 產(chǎn)生高分子大小的空穴是困難的；實(shí)際推算產(chǎn)生高分子大小的空穴是困難的；實(shí)際推算10001000個(gè)個(gè)-CH2-CH2-的的 E E=2.1MJ/mol=2.1MJ/mol；比；比-C-C-C-C-鍵鍵能能(3.4kJ/mol)(3.4kJ/mol)大。實(shí)測(cè)烴類同系物的大。

7、實(shí)測(cè)烴類同系物的 E E ，當(dāng)當(dāng)C C原子數(shù)大于原子數(shù)大于20-3020-30時(shí)與分子量無關(guān)。不同分時(shí)與分子量無關(guān)。不同分子量高聚物的流動(dòng)活化能與分子量無關(guān)。子量高聚物的流動(dòng)活化能與分子量無關(guān)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)實(shí) 分子量增大，分子量增大，E E 增大，每添加一個(gè)增大，每添加一個(gè)-CH2-CH2-，E E 大約添加約大約添加約 2.1 kJ/mol2.1 kJ/mol高分子流動(dòng)經(jīng)過鏈段的相繼躍遷來實(shí)現(xiàn)高分子流動(dòng)經(jīng)過鏈段的相繼躍遷來實(shí)現(xiàn)高分子的流動(dòng)高分子的流動(dòng)2 2高分子流動(dòng)不符合牛頓流體流動(dòng)規(guī)律高分子流動(dòng)不符合牛頓流體流動(dòng)規(guī)律 大多數(shù)聚合物的熔體和濃溶液屬假塑大多數(shù)聚合物的熔體和濃溶液屬假塑性流體

8、，其粘度隨剪切速率的添加而減性流體，其粘度隨剪切速率的添加而減小。小。3 3高分子流動(dòng)時(shí)伴有高彈形變高分子流動(dòng)時(shí)伴有高彈形變 低分子液體流動(dòng)是完全不可逆的。低分子液體流動(dòng)是完全不可逆的。 高聚物進(jìn)展粘性流動(dòng)時(shí)，伴隨一定高聚物進(jìn)展粘性流動(dòng)時(shí)，伴隨一定的高彈形變，這部分是可逆的。的高彈形變，這部分是可逆的。高彈形變的恢復(fù)過程是一個(gè)松弛過程高彈形變的恢復(fù)過程是一個(gè)松弛過程柔性、溫度柔性、溫度高彈形變與加工成型高彈形變與加工成型四影響粘流溫度的要素四影響粘流溫度的要素 聚合物從高彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)時(shí)的溫度稱為聚合物從高彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)時(shí)的溫度稱為粘流溫度，用粘流溫度，用 Tf Tf 表示。表示。 在粘流

9、溫度以上，在外力作用下，聚合物不在粘流溫度以上，在外力作用下，聚合物不僅鏈段可以運(yùn)動(dòng)，而且整個(gè)分子鏈也能發(fā)生相僅鏈段可以運(yùn)動(dòng)，而且整個(gè)分子鏈也能發(fā)生相對(duì)挪動(dòng)，在宏觀上表現(xiàn)為粘性流動(dòng)，產(chǎn)生不可對(duì)挪動(dòng)，在宏觀上表現(xiàn)為粘性流動(dòng)，產(chǎn)生不可逆的流動(dòng)形變。逆的流動(dòng)形變。 粘流溫度是聚合物開場(chǎng)粘性流動(dòng)的溫度，是粘流溫度是聚合物開場(chǎng)粘性流動(dòng)的溫度，是聚合物成型加工的下限溫度。聚合物成型加工的下限溫度。 聚合物的分解溫度聚合物的分解溫度TdTd那么是聚合物加工那么是聚合物加工的上限溫度。的上限溫度。 粘流溫度對(duì)于選擇最正確加工條件是很重要粘流溫度對(duì)于選擇最正確加工條件是很重要的。的。1 1高分子的柔性高分子的柔

10、性 分子鏈柔順性好，內(nèi)旋轉(zhuǎn)的位分子鏈柔順性好，內(nèi)旋轉(zhuǎn)的位壘低，流動(dòng)單元小，流動(dòng)所需求的壘低，流動(dòng)單元小，流動(dòng)所需求的空穴小，流動(dòng)活化能也較低，可在空穴小，流動(dòng)活化能也較低，可在較低的溫度下即可發(fā)生粘性流動(dòng)。較低的溫度下即可發(fā)生粘性流動(dòng)。分子鏈愈柔順，粘流溫度越低；分子鏈愈柔順，粘流溫度越低；分子鏈越剛性，粘流溫度越高。分子鏈越剛性，粘流溫度越高。2 2高分子的極性高分子的極性 極性越大，分子間的相互作用也愈極性越大，分子間的相互作用也愈大，需求在較高的溫度下以提高分子運(yùn)大，需求在較高的溫度下以提高分子運(yùn)動(dòng)的熱能才干抑制分子間的相互作用而動(dòng)的熱能才干抑制分子間的相互作用而產(chǎn)生粘性流動(dòng)。產(chǎn)生粘性流

11、動(dòng)。極性聚合物的粘流溫度比非極性聚合物極性聚合物的粘流溫度比非極性聚合物高高3 3分子量分子量粘流溫度是整個(gè)高分子鏈開場(chǎng)運(yùn)動(dòng)粘流溫度是整個(gè)高分子鏈開場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的溫度的溫度分子量越大，粘流溫度越高分子量越大，粘流溫度越高分子量越大，分子鏈越長(zhǎng)，分子鏈相對(duì)滑動(dòng)時(shí)分子量越大，分子鏈越長(zhǎng)，分子鏈相對(duì)滑動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力就越大。并且鏈段的熱運(yùn)動(dòng)妨礙著的內(nèi)摩擦力就越大。并且鏈段的熱運(yùn)動(dòng)妨礙著整個(gè)分子鏈在外力作用下的定向運(yùn)動(dòng)。整個(gè)分子鏈在外力作用下的定向運(yùn)動(dòng)。 成型溫度愈高愈不利。因此，在不影響制品根成型溫度愈高愈不利。因此，在不影響制品根本性能要求的前提下，適當(dāng)降低分子量是必要的。本性能要求的前提下，適當(dāng)降低分子

12、量是必要的。 由于高聚物分子量的多分散性，實(shí)踐上非晶高由于高聚物分子量的多分散性，實(shí)踐上非晶高聚物沒有明晰的粘流溫度，而往往是一個(gè)較寬的聚物沒有明晰的粘流溫度，而往往是一個(gè)較寬的軟化區(qū)域，在此溫度區(qū)域內(nèi)，均易于流動(dòng)，可進(jìn)軟化區(qū)域，在此溫度區(qū)域內(nèi)，均易于流動(dòng)，可進(jìn)展成型加工。展成型加工。五聚合物流動(dòng)性的表征五聚合物流動(dòng)性的表征1 1熔體粘度熔體粘度(1) (1) 表觀粘度表觀粘度 聚合物熔體和濃溶液都屬非聚合物熔體和濃溶液都屬非牛頓牛體，其剪切應(yīng)力對(duì)剪切速牛頓牛體，其剪切應(yīng)力對(duì)剪切速率作圖得不到直線，即其粘度有率作圖得不到直線，即其粘度有剪切速率依賴性。剪切速率依賴性。用用 / / 定義的粘度不

13、是常數(shù)，引入表觀粘定義的粘度不是常數(shù)，引入表觀粘度的概念度的概念a a，定義：，定義：1naKa(2) (2) 零切粘度零切粘度 低剪切速率下，非牛頓流體表現(xiàn)出低剪切速率下，非牛頓流體表現(xiàn)出牛頓流體的特性，由牛頓流體的特性，由 對(duì)對(duì) 曲線的曲線的起始斜率可得到牛頓粘度。起始斜率可得到牛頓粘度。 定義剪切速率趨于零時(shí)的粘度為定義剪切速率趨于零時(shí)的粘度為零切速率粘度，簡(jiǎn)稱零切粘度：零切速率粘度，簡(jiǎn)稱零切粘度： 000limlima(3) (3) 無窮剪切粘度無窮剪切粘度0limlima定義定義剪切速率趨于無窮大時(shí)的粘度為無窮剪切粘度剪切速率趨于無窮大時(shí)的粘度為無窮剪切粘度對(duì)于假塑性流體：對(duì)于假塑性

14、流體：0 a 2 2熔融指數(shù)熔融指數(shù)MI-melt indexMI-melt index 在一定溫度下，熔融形狀的高聚物在一定負(fù)荷下，在一定溫度下，熔融形狀的高聚物在一定負(fù)荷下，非常鐘內(nèi)從規(guī)定直徑和長(zhǎng)度的規(guī)范毛細(xì)管中流出的分非常鐘內(nèi)從規(guī)定直徑和長(zhǎng)度的規(guī)范毛細(xì)管中流出的分量克數(shù)。熔融指數(shù)越大，那么流動(dòng)性越好，熔融量克數(shù)。熔融指數(shù)越大，那么流動(dòng)性越好，熔融指數(shù)的單位為克。指數(shù)的單位為克。沒有明確的物理意義，但可作為流動(dòng)性好壞的目的沒有明確的物理意義，但可作為流動(dòng)性好壞的目的課堂討論課堂討論1 1什么叫剪切應(yīng)力、剪切速率和粘度？什么叫剪切應(yīng)力、剪切速率和粘度？2 2什么是牛頓流體？什么是非牛頓流體？什么是牛頓流體？