毛细管流变仪原理介绍全PPT学习教案

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1、会计学1毛细管流变毛细管流变(li bin)仪原理介绍全仪原理介绍全第一页，共58页。第1页/共58页第二页，共58页。Rheology: rheo (to flow) + logos (science)第2页/共58页第三页，共58页。第3页/共58页第四页，共58页。第4页/共58页第五页，共58页。第5页/共58页第六页，共58页。流变学研究对象：包括非牛顿流体、粘弹性固体和流体与固体之间的物质（如悬浮体）。对于高分子来说，绝大多数的成型加工都是熔融状态下进行的，特别是热塑性塑料加工。因此，高聚物在粘流温度下的流动性和弹性，是其成型加工的首要性能。非牛顿流体定义(dngy)：凡不服从牛顿

2、粘性定律的流体称为非牛顿流体。即：在一定温度下，流体剪切应力与剪切速率不成正比的线性关系，其粘度不是常数，而是随剪切应力或剪切速率而变化的非牛顿粘度。第6页/共58页第七页，共58页。.第7页/共58页第八页，共58页。第8页/共58页第九页，共58页。adbA面积(min j)A = ab 高 = d第9页/共58页第十页，共58页。)(m (N) 2AF剪切应力Pa第10页/共58页第十一页，共58页。剪切应变(yngbin)无量纲(m) (m) du第11页/共58页第十二页，共58页。剪切速率(sl)S-1(s)t第12页/共58页第十三页，共58页。剪切粘度(zhn d) = 剪切应

3、力（施加外力）剪切速率（运动速度）Pa.s 单位（Unit） Pascal second Pa.s (SI) Poise P (CGS)1 Pa.s = 10 P, 1 mPa.s = 1 cP第13页/共58页第十四页，共58页。第14页/共58页第十五页，共58页。当外力消失后，分子链又由伸当外力消失后，分子链又由伸展展(shnzhn)变为卷曲，使形变变为卷曲，使形变部分恢复，表现出弹性行为。部分恢复，表现出弹性行为。第15页/共58页第十六页，共58页。弹性：分子链构象不断(bdun)变化分子链构象的变化粘性：流动中分子链相对运动第16页/共58页第十七页，共58页。以粘度的倒数表示流动

4、性。按作用方式的不同,流动可分为剪切流动和拉伸流动,相应地有剪切粘度和拉伸粘度。前者为切应力与切变速率之比；后者为拉伸应力与拉伸应变速度之比。聚合物的结构不同，流动性（或粘度）就不同。对于聚合物熔体，大多数是属于假塑性液体,其剪切粘度随剪切应力的增加而降低,同时测试条件（温度、压力）、分子参数（分子量及其分布、支化度等）和添加剂(填料、增塑剂、润滑剂等)等因素对剪切粘度-剪切应力曲线的移动方向均有影响。对于拉伸粘度，当应变速率很低时，单向拉伸的拉伸粘度约为剪切粘度的3倍，而双向相等的拉伸，其拉伸粘度约为剪切粘度的6倍。拉伸粘度随拉伸应力增大而增大,即使(jsh)在某些情况下有所下降，其下降的幅

5、度远较剪切粘度的小。因此，在大的应力作用下，拉伸粘度往往要比剪切粘度大一二个数量级，这可使化学纤维纺丝过程更为容易和稳定。第17页/共58页第十八页，共58页。 ),(tPTC第18页/共58页第十九页，共58页。Shear RateStressShear Rate牛顿流体假塑性流体(lit)胀塑性流体StressShear RateStressShear RateViscosityViscosityShear RateViscosityShear Ratee.g. 聚合物熔体e.g. PVC糊等剪切变稀剪切增稠第19页/共58页第二十页，共58页。Log .大部分样品，特别是聚合物具有这种特

6、性实际上，对于(duy)聚合物，经常测量的范围是剪切变稀区域Log 零剪切平台剪切变稀 / 指数定律区域第二牛顿平台第20页/共58页第二十一页，共58页。Log Log 分子缠结 缠结(chnji)速度=解缠结(chnji)速度缠结(chnji)速度解缠接速度分子链遭到破坏，无缠结缠结速度=解缠结速度第21页/共58页第二十二页，共58页。第22页/共58页第二十三页，共58页。第23页/共58页第二十四页，共58页。 速度梯度方向平行(pngxng)于流动方向,例:吹塑成型中离开模口后的流动,纺丝中离开喷丝口后的牵伸.流动(lidng)方向速度(sd)梯度的方向 拉伸粘度（t）:第24页/

7、共58页第二十五页，共58页。法向力 (Normal Force)拉伸(l shn)应力拉伸应变拉伸(l shn)速率)(m (N) 2AF (m) (m)ud( )t sPa无量纲1/s第25页/共58页第二十六页，共58页。atBACB: t 与 无关(wgun):聚合度低的线性高物:POM、PA-66A： t 随 而,支化聚合物。如支化PEC： t 随 而,高聚合度PP拉伸(l shn)粘度与拉伸(l shn)应力的关系:高拉伸(l shn)应变速率在低拉伸应变速率(sl)下，熔体服从特鲁顿关系式 拉伸粘度（t）曲线E 3 s第26页/共58页第二十七页，共58页。从结构变化分析:拉伸流

8、动中会发生链缠结(chn ji),使拉伸粘度降低,但同时链发生伸展并沿流动方向取向,分子间相互作用增加,流动阻力增加,伸展粘度变大.拉伸粘度取决于这两个因素哪一个占优势.拉伸粘度与拉伸应变速率(sl)的关系第27页/共58页第二十八页，共58页。Log eLog e平台(pngti)粘度(zhn d)变小应变硬化第28页/共58页第二十九页，共58页。第29页/共58页第三十页，共58页。第30页/共58页第三十一页，共58页。由于聚合物流体流动时，伴随有高弹形变的产生和贮存，故外力除去后会发生回缩等现象,例如:塑料、橡胶挤出后和纤维纺丝后会发生断面尺寸增大而长度缩短的离模膨胀现象，或称弹性记

9、忆效应；搅动时流体会沿杆上升，这种爬杆现象称韦森堡效应或法向应力效应。此外，聚合物加工时，半成品或成品表面不光滑，出现“橘子皮”和“鲨鱼皮”，出现波浪、竹节(zhji)、直径有规律的脉动、螺旋形畸变甚至支离破碎等影响制品质量的熔体破裂和不稳定流动等现象，这些现象主要与熔体弹性有关。第31页/共58页第三十二页，共58页。高分子熔体(rn t)流动中的弹性效应 实验发现(fxin)，几种粘度相近、分子量分布大致相同的聚乙烯熔体，其加工行为却有很大差异，分析得知，这些差异主要因为不同熔体的弹性行为（拉伸粘度和法向应力差）不同引起的。高分子液体流动时，表现出形形色色(xng xng s s)的奇异弹

10、性行为。主要有挤出过程中的挤出胀大现象，不稳定流动和熔体破裂现象，“爬杆”现象（Weissenberg效应），拉伸流动等。高分子液体的弹性属于熵弹性。在流动过程中，材料的粘性行为和弹性行为交织在一起，使流变性十分复杂。研究高分子液体的弹性规律性对高分子材料加工也十分重要。第32页/共58页第三十三页，共58页。第33页/共58页第三十四页，共58页。第34页/共58页第三十五页，共58页。挤出(j ch)胀大现象 挤出胀大现象(xinxing)及其说明 挤出胀大现象又称口型膨胀效应或Barus效应，是指高分子熔体被强迫挤出口模时，挤出物尺寸大于口模尺寸，截面形状(xngzhun)也发生变化的现

11、象。对圆型口模，挤出胀大比B定义为： DdBi/id式中D 为口模直径， 为完全松弛的挤出物直径。第35页/共58页第三十六页，共58页。第36页/共58页第三十七页，共58页。（1）挤出胀大现象是高分子液体具有弹性的典型表现。从弹性形变角度看，熔体在进入口模前的入口区受到强烈拉伸作用，发生弹性形变。这种形变虽然在口模内部流动时得到部分松弛，但由于高分子材料的松弛时间一般较长，直到口模出口(ch ku)处仍有部分保留，于是在挤出口(ch ku)模失去约束后，发生弹性恢复，使挤出物胀大。 （2）从熵弹性角度考虑(kol)，无规线团状的大分子链在口模入口区被强烈拉伸，构象发生改变，构象熵减少。同样

12、这种构象变化在口模内部部分得到松弛，但仍有部分直到挤出口模后才回复。挤出后的分子链回复到新的无规线团构象，使熵值升高而胀大。 （3）实验表明，一切影响高分子熔体弹性的因素都对挤出胀大行为有影响。如挤出温度升高，或挤出速度下降，或体系中加入(jir)填料而导致高分子熔体弹性形变减少时，挤出胀大现象明显减轻。 挤出胀大现象 第37页/共58页第三十八页，共58页。 弹性液体则不然，弹性液体流动时，除有剪切应力外，作用在三个正交面元上的法向应力也不相等，使液体既发生粘性(zhn xn)形变（表现为有粘度，消耗能量），又发生弹性形变（表现为有法向应力差，贮存能量）。 定义法向应力差函数 ， ，用以描述

13、液体的弹性。高分子液体发生“爬杆”现象，正是由于法向应力差效应引起的。 法向应力差效应是弹性液体特有(t yu)的效应。 纯粘性液体流动时，内部流体元上所受的应力主要在外表面的切线方向，称剪切应力，是一种摩擦力，它引起流体元剪切变形。面元的法线方向虽然也有应力（称法向应力，主要为压力和拉力），但由于液体没有弹性，不可压缩，因此三个正交面元上的法向应力相等。 法向应力差效应(xioyng)33221122113322第38页/共58页第三十九页，共58页。第39页/共58页第四十页，共58页。第40页/共58页第四十一页，共58页。Time (s)0.0010.010.1110100Strain

14、 %瞬间阶跃应变 恒定应变101.00.10.010.001第41页/共58页第四十二页，共58页。Time (s)0.0010.010.1110100Stress Pa 施加应变 保持(boch)恒定应变101.00.10.01粘性材料应力(yngl)衰减 瞬间弹性材料(cilio) 应力恒定第42页/共58页第四十三页，共58页。线形聚合物的应力松弛的分子机理如图所示，拉伸时张力迅速作用使缠绕的分子链伸长，但这种伸直的构象时不平衡的，由于热运动分子链会重新卷曲(jun q)，但形变量被固定不变，于是链可能解缠结而转入新的无规卷曲(jun q)的平衡态，于是应力松弛为零。交联聚合物不能解缠结

15、，因而应力不能松弛到零。1第43页/共58页第四十四页，共58页。松弛(sn ch)实验松弛时间：材料开始松弛到剪切应力下降(xijing)至初始值/e所需时间评定时间T：材料开始松弛到测量值与计算值相差超过10所需时间第44页/共58页第四十五页，共58页。应力(yngl)松弛同样也有重要的实际意义。成型过程中总离不开应力(yngl)，在固化成制品的过程中应力(yngl)来不及完全松弛，或多或少会被冻结在制品内。这种残存的内应力(yngl)在制品的存放和使用过程中会慢慢发生松弛，从而引起制品翘曲、变形甚至应力(yngl)开裂。消除的办法时退火或溶胀（如纤维热定形时吹入水蒸汽）以加速应力(yn

16、gl)松弛过程。第45页/共58页第四十六页，共58页。第46页/共58页第四十七页，共58页。第47页/共58页第四十八页，共58页。第48页/共58页第四十九页，共58页。P = pen + pvis + pex第49页/共58页第五十页，共58页。第50页/共58页第五十一页，共58页。选择三根长径比不同的毛细管，在同一体积流量下，测量压差P与长径比L/D的关系并作图，将直线延长(ynchng)与P轴相交，其纵向截距等于入口压力降Pent；继续延长(ynchng)与L/D轴相交，其横向截距等于LB/D=e0/2。第51页/共58页第五十二页，共58页。Linear fit :Polyno

17、minal fit :第52页/共58页第五十三页，共58页。第53页/共58页第五十四页，共58页。不稳定(wndng)流动和熔体破裂现象 不稳定(wndng)流动的挤出物外观示意图 实验表明，高分子熔体从口模挤出时，当挤出速率（或剪切应力）超过某一临界(ln ji)剪切速率 （或临界(ln ji)剪切应力 ），容易出现弹性湍流，导致流动不稳定，挤出物表面粗糙。 随挤出速率的增大，可能先后出现波浪形、鲨鱼皮形、竹节形、螺旋形畸变，最后导致完全无规则的熔体破裂 cc第54页/共58页第五十五页，共58页。（3）从形变能的观点看，高分子熔体(rn t)的弹性贮能本领是有限的。当外力作用速率很大，

18、外界赋予熔体(rn t)的形变能远远超出熔体(rn t)可承受的极限时，多余的能量将以其它形式表现出来，其中产生新表面、消耗表面能是一种形式，即发生熔体(rn t)破裂。 （1）虽然关于发生不稳定流动的机理目前尚无统一认识，但各种( zhn)假定都认为，这也是高分子熔体弹性行为的表现。（2）就熔体破裂现象(xinxing)而言，肯定地说，它与熔体的非线性粘弹性、与分子链在剪切流场中的取向和解取向（构象变化及分子链松弛的滞后性）、缠结和解缠结及外部工艺条件诸因素有关。不稳定流动和熔体破裂现象 第55页/共58页第五十六页，共58页。如何检测熔体(rn t)的不稳定流动？压力(yl)损耗光滑(gung hu)表面Shark skinSlip-stick超级挤出表面螺纹状表面熔体破裂表面挤出量粘性滑动区域1 区域2典型熔体流动稳定性表面鲨鱼皮表面竹节表面第56页/共58页第五十七页，共58页。第57页/共58页第五十八页，共58页。