第二章 流變學(xué)的基本概念.ppt

1、第二章 流變學(xué)的基本概念,黏度:黏度是流體內(nèi)部反抗這種流動(dòng)的內(nèi)摩擦阻力,與分子間的纏繞程度和分子間的相互作用有關(guān).單位: Pas 表觀粘度又可以分為剪切黏度和拉伸黏度,流變學(xué)基礎(chǔ),剪切黏度（a） 表觀黏度并不完全反映高分子不可逆形變的難易程度.表 征流動(dòng)性的好壞, 越大, 流動(dòng)性越差, 越小越好.,拉伸黏度（t）: 與液體彈性相關(guān),定義:當(dāng)聚合物熔體從任何形式的管道中流出，垂直于流動(dòng)方向的聚合物橫斷面積上所承受的拉應(yīng)力與拉伸應(yīng)變速率的比值 與剪切過(guò)程中的黏度相似。只是速度梯度方向平行于流動(dòng)方向, 例如:吹塑成型中離開?？诤蟮牧鲃?dòng),紡絲中離開噴絲口后的牽伸.,拉伸流動(dòng)的研究在高分子材料加工工程中

2、十分重要。在纖維紡絲和薄膜吹塑過(guò)程中物料承受強(qiáng)烈的拉伸變形，流動(dòng)過(guò)程主要為拉伸流動(dòng)。纖維紡絲過(guò)程為一維的單軸拉伸，薄膜吹塑過(guò)程屬二維的雙向拉伸。在其它高分子材料加工過(guò)程，如壓延、擠出、注塑過(guò)程中也同樣存在拉伸流動(dòng)。 可以說(shuō)，凡是彈性液體流經(jīng)截面有顯著變化的流道時(shí)，都有拉伸流動(dòng)存在。,高分子液體的拉伸黏度非常復(fù)雜。變化規(guī)律有多種類型：一種是與拉伸應(yīng)力幾乎無(wú)關(guān)，如聚甲基丙烯酸甲酯、共聚甲醛、尼龍66屬于這種情況； 一種是隨拉伸應(yīng)力的增加而減小，如聚丙烯在應(yīng)力為108 Pa時(shí)的拉伸黏度只有應(yīng)力為105 Pa時(shí)的1/5； 還有一種是隨拉伸應(yīng)力的增加而增加，如低密度聚乙烯。 目前尚無(wú)一種恰當(dāng)?shù)睦碚摚軌?/p>

3、預(yù)言拉伸黏度如此復(fù)雜的變化規(guī)律。,拉伸流動(dòng)中會(huì)發(fā)生鏈纏結(jié), 拉伸黏度降低, 同時(shí)鏈伸展并沿流動(dòng)方向取向,分子間相互作用增加,流動(dòng)阻力增加,伸展黏度變大.拉伸黏度取決于這兩個(gè)因素哪一個(gè)占優(yōu)勢(shì).,黏度與牛頓定律,資料： 假設(shè)液體或與其相同物質(zhì)的各部分之間不能滑移，所產(chǎn)生的阻力將正比于液體中各部分彼此分離的速度。 牛頓（1687年原理）,：比例系數(shù)，稱為黏度，表示流體流動(dòng)阻力的大小。 單位：Pas 和 泊（P） ：1P=0.1 Pas,對(duì)大多數(shù)高分子熔體而言，低速流動(dòng)時(shí)近似遵循牛頓流動(dòng)定律，其黏度稱零剪切黏度，也記為 ；流速較高時(shí)，剪切應(yīng)力與剪切速率之間不再呈直線關(guān)系,可以看出，表觀黏度是剪切速率（

4、或剪切應(yīng)力）的函數(shù)。剪切速率增大，表觀黏度降低，呈剪切變稀效應(yīng)。 我們稱這類流體為假塑性流體。,下表中是各種液體在20條件下的黏度,非牛頓流動(dòng) 實(shí)際上大多數(shù)液體不符合牛頓黏度定律，如高分子溶液、膠體溶液、乳劑、混懸劑、軟膏以及固-液的不均勻體系的流動(dòng)。把這種不遵循牛頓黏度定律的物質(zhì)稱為非牛頓流體，這種物質(zhì)的流動(dòng)現(xiàn)象稱為非牛頓流動(dòng)。 流體的剪切速度和剪切應(yīng)力的變化規(guī)律，經(jīng)作圖后可得四種曲線的類型：塑性流動(dòng)、假塑性流動(dòng)、脹形流動(dòng)、觸變流動(dòng)。 對(duì)于非牛頓流體可以用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。,變形,應(yīng)力應(yīng)變,流動(dòng),應(yīng)力應(yīng)變速率,定義應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速率,注意： 實(shí)際材料發(fā)生的變形和受力情況是復(fù)雜的，要找出其

5、應(yīng)力應(yīng)變之間的關(guān)系十分困難。因此，在流變學(xué)中采用一些理想化的實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)。,引入：,1. 簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn),材料是均勻的，各向同性的，而材料被施加的應(yīng)力及發(fā)生的應(yīng)變也是均勻和各向同性的，即應(yīng)力、應(yīng)變與坐標(biāo)及其方向無(wú)關(guān)。,1.1 應(yīng)變,1.1.1 各向同性的壓縮和膨脹,各向同性膨脹,a=a b=b c=c -伸縮比,V/V是邊長(zhǎng)的分?jǐn)?shù)變化的3倍,1.1.2 單向拉伸和壓縮,拉伸實(shí)驗(yàn),稱為伸長(zhǎng)比（Extension ratio）,1.1.3 簡(jiǎn)單剪切和簡(jiǎn)單剪切流動(dòng),簡(jiǎn)單剪切實(shí)驗(yàn), 稱為剪切應(yīng)變（Shear stain） 稱為剪切速率（Rate of shear）,l,l,f,1.2 應(yīng)力,外界作用在材料邊

6、界上的力稱為表面力,df 為作用在表面上無(wú)限小面積ds上的力。在簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)中由于力是均勻的。,應(yīng)力材料單位面積受到的表面力作用,1.2.1 應(yīng)力的分量表示法和應(yīng)力張量,應(yīng)力的性質(zhì)：應(yīng)力的大小；方向；作用面。 應(yīng)力的分量第1個(gè)下標(biāo)表示作用面，第2個(gè)下標(biāo)表示應(yīng)力的方向。 作用力的方向與作用面垂直，被稱為應(yīng)力的法向分量, txx、 tyy 、 tzz。 作用力的方向與作用面平行，被稱為應(yīng)力的切向分量，txy、 tyx 、 tzx、txz、tzy、tyz。,三個(gè)面上的應(yīng)力分量： tx=txx, txy, txz ty=tyx, tyy, tyz tz=tzx, tzy, tzz,用一個(gè)數(shù)組表示這三個(gè)面

7、上的應(yīng)力矢量三個(gè)方向的應(yīng)力 矢量：應(yīng)力張量,切向分量互等定律,1.2.2 均質(zhì)性和各向同性,均質(zhì)性：材料的性質(zhì)與材料采取的部位無(wú)關(guān)，即材料的性質(zhì)是均勻的。 各向同性：材料的性質(zhì)與方向無(wú)關(guān)，液體、非晶體、多晶體等。 各向異性：?jiǎn)尉А⒎蔷|(zhì)材料、取向高聚物等。,3 線形彈性3.1 虎克定律與彈性常數(shù),線性彈性體（Linear elastic solid） 長(zhǎng)度變化正比于所施加的力，這種力學(xué)模式稱為線彈性（Linear elasticity）,3.1 虎克定律與彈性常數(shù),虎克定律表示材料在受力時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變之間存在線性關(guān)系式=c, 因此線性彈性也稱為虎克彈性；,單向拉伸或壓縮=E ，E為常數(shù)，以Eul

8、er的名字命名，稱為楊氏模量或拉伸彈性模量 其倒數(shù)D稱為拉伸柔量：E表示材料的剛性。E越大，產(chǎn)生相同的應(yīng)變需要的應(yīng)力越大，即材料不易變形，剛性高,泊松比（Poisons ratio）=/,泊松比,是材料橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值，也叫橫向變形系數(shù)，它是反映材料橫向變形的彈性常數(shù)。 泊松比由法國(guó)科學(xué)家泊松最先發(fā)現(xiàn)并提出。他在1829年發(fā)表的彈性體平衡和運(yùn)動(dòng)研究報(bào)告. 空氣的泊松比為0，水的泊松比為0.5,各向同性壓縮,簡(jiǎn)單剪切實(shí)驗(yàn),材料的應(yīng)變?yōu)槠潴w積變化分?jǐn)?shù)，應(yīng)力用壓力P表示：,所以：,K為彈性常數(shù)，稱為體積模量 B為體積柔量,材料發(fā)生剪切應(yīng)變：,G為剪切模量（Shear modulus）,J為剪

9、切柔量,返回,3.2 線形彈性變形的特點(diǎn),變形小 變形無(wú)時(shí)間依賴性 變形在外力移除后完 全回復(fù) 無(wú)能量損失，（線性彈性稱為能彈性 ） 應(yīng)力與應(yīng)變成線性關(guān)系,涉及聚合物分子中化學(xué)鍵的拉伸、鍵角變化和鍵旋轉(zhuǎn)，不涉及鏈段的運(yùn)動(dòng)或整個(gè)分子鏈的位移,3.3 彈性常數(shù)之間的關(guān)系,E，G，K和 彈性常數(shù)不是相互獨(dú)立的，而是相互有一定的關(guān)系。因此表征一個(gè)材料的線性彈性只需其中兩個(gè)就足夠.,一種常見(jiàn)的關(guān)系： 0.5或材料不可壓縮時(shí)， E3G E楊氏模量 K體積模量 G剪切模量 / 泊松比,彈性模量譜,聚合物與其他材料相比，其很明顯的特點(diǎn)是它們的彈性模量范圍很寬（在室溫時(shí)），相差34個(gè)數(shù)量級(jí)，玻璃態(tài)高聚物彈性模量

10、103105MPa；橡膠態(tài)高聚物彈性模量0.11MPa.,玻璃態(tài)高聚物的彈性模量為103105數(shù)量級(jí)，如：酚醛塑料：E104 MPa 密胺塑料：E1.4105 MPa 聚氯乙烯(硬質(zhì))：E4.9103 MPa 橡膠和彈性體的模量為0.11 MPa，比玻璃態(tài)聚合物 低34個(gè)數(shù)量級(jí)。,3.4 聚合物彈性模量與溫度的關(guān)系,溫度對(duì)體積模量的影響較小，低于玻璃化溫度和高于玻璃化溫度的K相差僅兩倍左右，在同一數(shù)量級(jí)上。拉伸和剪切模量的溫度依賴性則很大,無(wú)定形線形聚合物的拉伸模量與溫度的關(guān)系,交聯(lián)聚合物（橡膠）的拉伸模量與溫度的關(guān)系,分子鏈熱運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，回縮力逐漸變大，彈性形變能力變小，表現(xiàn)為彈性模量隨溫度升

11、高而增大.,結(jié)晶性線形聚合物的拉伸模量與溫度的關(guān)系,其形狀與無(wú)定型聚合物類似，其區(qū)別是坪臺(tái)區(qū)較寬，且平臺(tái)處的模量較高.,微晶的存在起到交聯(lián)的作用,3.5 模量的分子量依賴性,分子量對(duì)模量的影響主要在高彈態(tài)和粘流態(tài)。分子量越高，橡膠坪臺(tái)區(qū)越寬，但坪臺(tái)區(qū)的模量數(shù)量級(jí)不因分子量增大而變化，玻璃化溫度也保持不變,無(wú)定型線形聚合物的拉伸模量與分子量的關(guān)系（ABC）,低溫時(shí)粘彈性主要決定于大分子鏈的小鏈段的運(yùn)動(dòng)，而與大分子鏈本身的尺寸基本上無(wú)關(guān)。在高溫時(shí)的粘彈性則涉及到較大鏈段的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，以解開纏繞并最后大分子鏈間相互滑移 ，所以分子量對(duì)拉伸模量的影響主要在高彈態(tài)和粘流態(tài),3.6交聯(lián)度對(duì)拉伸模量的影響,交

12、聯(lián)聚合物（橡膠）的拉伸模量與交聯(lián)度的關(guān)系,隨著交聯(lián)度上升，橡膠坪臺(tái)模量上升，交聯(lián)度上升至形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時(shí)，E幾乎保持不變直到超過(guò)分解溫度時(shí)發(fā)生分解。同時(shí)玻璃化溫度也隨交聯(lián)度提高而上升，而且玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)加寬（Tg升高）,3.7 結(jié)晶度的影響,隨著結(jié)晶度的提高，在低溫沒(méi)有影響，橡膠坪臺(tái)升高，結(jié)晶起交聯(lián)作用。Tg不受結(jié)晶度影響,結(jié)晶性線性聚合物的拉伸模量與結(jié)晶度的關(guān)系,3.5 聚合物的體積模量,3.5.1 在高于Tg和Tm時(shí)聚合物的體積模量,3.5.2 玻璃態(tài)無(wú)定形聚臺(tái)物的體積模量,低于玻璃化溫度時(shí)的K比高于Tg時(shí)的最多大兩倍，前面已經(jīng) 看到，其他模量的變化則大得多,3.5.3 結(jié)晶聚合物的K,結(jié)晶聚

13、合物的K（體積模量）與無(wú)定形聚合物接近，數(shù)量級(jí)也是103 MPa。一般說(shuō)，結(jié)晶度愈高，K愈大。,3.5.4 偏離線彈性的情況,當(dāng)壓力很高時(shí)會(huì)出現(xiàn)非線性彈性，在用各種加壓速度或頻率時(shí)也會(huì)出現(xiàn)粘彈性，即時(shí)間依賴性,3.6 線彈性的適用范圍,只有在變形很小時(shí)，下列材料才符合線彈性理論,1)陶瓷：絕大部分適用，只要應(yīng)力小于破壞極限值,2)金屬：在低于熔點(diǎn)的溫度時(shí)或應(yīng)變較大時(shí)，出現(xiàn)非線性的彈性，應(yīng)變很大時(shí)出現(xiàn)塑性和斷裂；在精確的實(shí)驗(yàn)中有些金屬出現(xiàn)蠕變，即與時(shí)間有關(guān)的變形；,3)結(jié)晶體：原子、離子或分子晶體,4)玻璃態(tài)材料：低于玻璃態(tài)溫度時(shí)的聚合物；在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中可能出現(xiàn)粘彈性(線性或非線性)；應(yīng)力很高時(shí)出現(xiàn)塑性或斷裂。,5)交聯(lián)聚合物即使在溫度比玻璃化溫度高許多時(shí)仍符合線彈性（如實(shí)驗(yàn)時(shí)有足夠的時(shí)間使材料能達(dá)到平衡態(tài)）。在時(shí)間較長(zhǎng)