14.流變性能剖析課件

1、 高聚物流變性能材料與化工學(xué)院焦明立1目錄流變學(xué)原理流變儀器結(jié)構(gòu)及其使用流變學(xué)研究在高分子中的應(yīng)用2流變學(xué)的研究范圍化妝品在皮膚上的涂抹及感覺牙膏的擠出特性及在牙刷上的穩(wěn)定性番茄醬的傾倒和穩(wěn)定，乳制品的特性甚至山脈的流動(dòng) !流變學(xué)流動(dòng)變形3制造和使用產(chǎn)品 原材料 通過加工（變形） 制品產(chǎn)品 在外力或變形下使用 性能 流變學(xué)是高分子學(xué)科的基礎(chǔ) 流變學(xué)是實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐科學(xué)Bingham 與流變學(xué)流變學(xué)4Rheology與 Theology 1927年，巴勒斯坦的土木工程師Reiner先生應(yīng)美國(guó)化學(xué)家Eugene C. Bingham 的邀請(qǐng)到美國(guó)和Bingham 合作一項(xiàng)研究在工作中，他們感覺到，應(yīng)該

2、有一個(gè)介于力學(xué)、化學(xué)和工程科學(xué)之間的-物理分支。他們請(qǐng)教了一位語言學(xué)家。凡是語言學(xué)家，都是言必稱希臘的，這位語言學(xué)家造了“Rheology”這個(gè)新詞來源于古希臘哲學(xué)家赫拉克利特的名言：“萬物皆流?！薄癛heo”在希臘語里是流動(dòng)的意思。流變學(xué)5流變學(xué)的研究對(duì)象不僅研究形變、溫度還研究與時(shí)間的相關(guān)性微觀世界：分子結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)、溫度與時(shí)間 宏觀世界：應(yīng)用環(huán)境的形變、溫度與時(shí)間 形變時(shí)間(頻率)溫度觀察點(diǎn)流變學(xué)6宏觀世界: 形變與時(shí)間或頻率的關(guān)系 流動(dòng)過程 剪切速率 沉淀 (Sediments)10e-6 10e-4垂掛/流平 (Sagging/Leveling) 10e-2 10e-1管流 (Pipe

3、 Flow)10 1000混合(Mixing)10 1000擠出(Extrusion)1 100化妝品相關(guān)從瓶中倒出(Pouring from a bottle)10e1 10e2擠牙膏(Extrusion of toothpaste from a tube)10e2擦護(hù)手霜(application of hand lotions/creams)10e2 10e4涂口紅，指甲油(Applying lipstick, nail polish) 10e3 10e4噴霧(Spraying aerosols)10e3 10e5粘合過程 粘合 (Tack)10e-2 10e-1鍵合(Press Bond

4、ing) 10e-1 1 脫粘(Peeling)10e2 10e4自動(dòng)脫粘(Auto-debonding)10e-3 10e-2流變學(xué)7微觀世界 : 分子結(jié)構(gòu)的尺寸、溫度與時(shí)間 松弛時(shí)間分布 分子運(yùn)動(dòng) 溫度變化 側(cè)基運(yùn)動(dòng) 主鏈運(yùn)動(dòng) 結(jié)晶 融熔流動(dòng)tg tb tgg tg ta tmTg Tb Tgg Tg Ta Tm流變學(xué)8以宏觀世界條件窺視微觀世界反應(yīng) 使用感官：無法定量時(shí)間尺度，無法量化 生產(chǎn)加工：時(shí)間尺度過短或過長(zhǎng)， 無法逐步窺探微觀世界 儀器檢測(cè)：適當(dāng)?shù)臅r(shí)間尺度，可逐步窺探微觀世界 材料特性全貌 = f(時(shí)間, 溫度)表觀物性觀察點(diǎn) = f(時(shí)間, 溫度)測(cè)量尺度 = f(時(shí)間, 溫度

5、）測(cè)量?jī)x器/設(shè)備流變學(xué)9動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)與樣品結(jié)構(gòu)的聯(lián)系流變學(xué)聚二甲基硅氧烷 粘度10宏觀世界聯(lián)系微觀世界事件時(shí)間分子運(yùn)動(dòng)時(shí)間快，善變，軟，游離分子 慢，遲鈍，硬，主鏈分子小分子，軟鏈段，支鏈 大分子，硬鏈段，主鏈流變學(xué)11流變學(xué)的角色 微觀世界與宏觀世界的橋梁分子組成結(jié)構(gòu) 儀器分析高分子科學(xué)流變學(xué) 加工性物性微觀世界分子量與分子量分布支化與交聯(lián)填料與基體材料的相互作用單相或多相結(jié)構(gòu)作為以下參數(shù)的函數(shù)：應(yīng)變 (應(yīng)變率)溫度時(shí)間 (頻率)宏觀世界流變學(xué)12控制參數(shù)形變低形變屬于線性行為范圍 高形變屬于非線性行為范圍內(nèi)（斷裂）溫度頻率時(shí)間低頻相當(dāng)于長(zhǎng)時(shí)間行為 高頻相當(dāng)于短時(shí)間行為測(cè)量結(jié)果GG”Tand*流

6、變學(xué)13對(duì)小分子（或高分子稀溶液）來講：剪切應(yīng)力與剪切速率成正比流體的流速越大，受到的阻力越大。 流變學(xué)流體類型14比例常數(shù) （粘度）是常數(shù)，不隨剪切力和剪切速率的大小而改變的。 這種類型的流體稱為牛頓流體。 的單位： N s m-2對(duì)高分子熔體等流體來講：不是常數(shù)，不呈直線關(guān)系。流變學(xué)牛頓流體、非牛頓流體15高聚物流動(dòng)-非牛頓流體 流變學(xué)16高聚物粘性流動(dòng)的特點(diǎn) 假塑性流體剪切變稀 剪切速率流動(dòng)粘度 大多數(shù)的高聚物屬此類膨脹性流體剪切變稠 剪切速率流動(dòng)粘度賓漢流體（塑性流體） 剪切應(yīng)力某一臨界應(yīng)力時(shí)不發(fā)生流動(dòng)流變學(xué)17 大，表明流動(dòng)時(shí)阻力大，流動(dòng)性差 小，表明流動(dòng)時(shí)阻力小，流動(dòng)性好 對(duì)于牛頓

7、流體： 對(duì)于非牛頓流體： 粘度18 剪切粘度的幾種表示方法表觀粘度： 最常用零剪切粘度（牛頓粘度）：19流變學(xué)20粘度-剪切速率曲線21流變學(xué)基礎(chǔ)將粘彈性行為分割為完全彈性與完全變形行為t *(t)Timeg (t) 固體(完全彈性)行為t測(cè)量周期性應(yīng)力Timeg (t)流體(完全變形) 行為t *(t)Timeg (t)t “(t)t (t)g施加周期性變形t *(t)Timeg (t)粘彈體行為d流變學(xué)22流變學(xué)與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系流變學(xué)23實(shí) 驗(yàn) 儀 器24旋轉(zhuǎn)式流變儀旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)分為同軸圓筒式、錐板式和或平行板式同軸圓筒式錐板式25平行平板粘度計(jì)（高粘度）間距可調(diào)推薦0.2 to 2.5 m

8、m (根據(jù)樣品的粘度)可棄式平行板夾具針對(duì)熱固性材料齒型平行板 針對(duì)易打滑樣品26錐板粘度計(jì)（高剪切速率）測(cè)量材料范圍：高分子熔體 流體 (懸浮液/乳液)由錐度固定夾具間距； 沒有剪切速率梯度；等溫實(shí)驗(yàn)；27同心圓筒粘度計(jì)材料材料范圍： 低粘度流體有限穩(wěn)定性的懸浮液對(duì)應(yīng)力敏感性材料的面積效應(yīng)裝載過程中的加工歷史旋轉(zhuǎn)式流變儀是在低剪切速率下測(cè)定流變性能28熔體流動(dòng)速率（熔融指數(shù)）測(cè)試儀定義在一定溫度和壓力下，聚合物熔體在10min內(nèi)流過一個(gè)規(guī)定直徑和長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)口模的質(zhì)量克數(shù)（g/10min）。用途1）表征聚合物的流動(dòng)性；2）表征聚合物分子量大?。槐碚骶酆衔锓肿恿恐挥性诨瘜W(xué)組成和結(jié)構(gòu)都相同的情況下

9、才可以比較分子量的相對(duì)大小29熔體流動(dòng)速率測(cè)定儀30測(cè)試步驟加熱儀器至所要求的測(cè)試溫度；準(zhǔn)備試樣粒料、粉料或碎片；選擇負(fù)荷法碼；將試樣加入料筒、壓實(shí)并預(yù)熱；計(jì)時(shí)并切割擠出物；稱重并計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果31常見熱塑性塑料測(cè)試條件聚合物溫度/負(fù)荷/KgPS2005PE1902.16/5/21.6PP2302.16ABS22010SAN22010PC300120PMMA2303.8POM1902.1632切割取樣時(shí)間熔體流動(dòng)速率/g.10min-1試樣質(zhì)量/g切割時(shí)間/s0.10.5352400.514612013.546603.51068301068515 如果試樣的熔體流動(dòng)速率小于0.1g/10min或

10、者大于100g /10min，建議不測(cè)熔體流動(dòng)速率。33毛細(xì)管流變儀在恒壓力或恒速率條件下，用柱塞將料筒中的聚合物熔體從具有一定口徑和長(zhǎng)徑比的毛細(xì)管中擠出通過測(cè)定熔體在毛細(xì)管中流動(dòng)的剪切速率和剪切應(yīng)力，得到聚合物的流動(dòng)曲線。剪切速率和溫度可以在較大范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而得到十分接近于聚合物加工條件下的流變數(shù)據(jù)。34恒速毛細(xì)管流變儀結(jié)構(gòu)示意圖主體部分料筒、毛細(xì)管、壓桿、加熱爐、測(cè)力傳感器；溫控部分熱電偶、溫控儀表；機(jī)械傳動(dòng)電機(jī)、齒輪箱、速率控制器；數(shù)據(jù)采集與處理計(jì)算機(jī)柱塞以一定速度將熔體擠壓出毛細(xì)管當(dāng)熔體從毛細(xì)管擠出時(shí)，產(chǎn)生的粘性阻力作用在柱塞上由連接在柱塞上部的測(cè)力裝置將其測(cè)量并記錄下來35對(duì)應(yīng)著

11、不同的柱塞壓下速度V，可以測(cè)出相應(yīng)的粘性阻力F。毛細(xì)管壁的剪切應(yīng)力： 傳感器測(cè)得的粘性阻力值（F） 毛細(xì)管的剪切應(yīng)力值s 剪切應(yīng)力36剪切速率毛細(xì)管壁處的剪切速率： 活塞桿下降速度（V）毛細(xì)管壁處的剪切速率 37剪切速率的表達(dá)式是通過牛頓粘性定律推導(dǎo)的而實(shí)際高聚物流體是非牛頓流體需要對(duì)剪切速率進(jìn)行非牛頓修正，得修正后的剪切速率：式中 n 是非牛頓指數(shù)，可通過 lgs 對(duì) lg作圖，任一點(diǎn)切線斜率得到38 剪切應(yīng)力和剪切速率 聚合物表觀粘度 聚合物各種流動(dòng)曲線表觀粘度和流動(dòng)曲線39毛細(xì)管流變儀的特點(diǎn)可在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)剪切速率和溫度，得到與擠出、注塑等成型加工條件很接近的流變參數(shù)。其常用的剪切速率

12、范圍為10106/S，剪切應(yīng)力為104106 N/m2。毛細(xì)管流變儀在低剪切速率下應(yīng)用時(shí)受到限制，而且不適宜測(cè)量低粘度流體40流變的應(yīng)用范圍高分子熔體彈性體熱固性材料涂料，油墨，涂層食品 化妝品 / 日化 41高分子 / 塑料 / 熔體擠出流體表征共混相容性 尺寸穩(wěn)定性 抗沖性工件會(huì)坍塌嗎 ?如何獲得較好的表面?兩相材料可獲得期望的性能嗎?沖撞時(shí)可以起到保護(hù)作用嗎? 充模完全嗎?42 彈性體與橡膠 沖擊特性 (保險(xiǎn)杠發(fā)生彎曲還是脆裂 ?)玻璃化轉(zhuǎn)變 (什么溫度時(shí)變脆 ?)阻尼特性 (這么點(diǎn)橡膠墊可以對(duì)我的CD唱機(jī)防震嗎?)43涂料，油墨，涂層涂刷性 (涂刷時(shí)方便嗎?)流平性 (刷痕會(huì)流平嗎?)

13、垂掛性 (刷在墻壁上的涂料會(huì)流下來嗎?)印刷質(zhì)量 (印刷時(shí)，油墨是停留在印的地方，還是散開來?)44流變曲線分辨MI不能區(qū)別的信息MI超高分子量PE的紡絲性能45粘度與分子量關(guān)系測(cè)分子量低頻時(shí)差別明顯毛細(xì)管流變儀46分子量寬度對(duì)流變性能的影響兩種PP做塑料還是纖維？注塑位置47支化對(duì)流變性能的影響兩種PE哪種更適合做吹塑？吹塑位置48 高分子加工過程中的流變學(xué) 離心澆鑄注塑吹塑49高分子粘度的影響因素分子量增塑溫度壓力無機(jī)填充50研究材料的敏感性溫敏性材料切敏性材料以上材料進(jìn)行注塑，為了降低注射壓力，是應(yīng)該增加溫度還是提高注射速率？51流變儀絕對(duì)流變儀測(cè)試粘彈性數(shù)據(jù)與絕對(duì)物理單位相關(guān)聯(lián)，如力、長(zhǎng)度、時(shí)間單位等能客觀表征樣品，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可重復(fù)相對(duì)流變儀模擬真實(shí)過程的條件，使用縮小的內(nèi)部混合器測(cè)量頭（生產(chǎn)用混合器的微縮品）結(jié)果數(shù)據(jù)不是絕對(duì)值52轉(zhuǎn)矩流變儀用于模擬實(shí)際生產(chǎn)條件下高分子材料的混合、復(fù)合以及塑化性能并可得到與實(shí)際生產(chǎn)相關(guān)的流變圖，來描述物料的可加工