高分子成型加工 第二章聚合物的流变性质

第二章 聚合物的流变性质流变学研究物质形变与流动的科学。

主要研究对象：认识应力作用下高分子 材料产生弹性、塑性和粘性形变的行为以及 研究这些行为与各种因素之间的相互关系。聚合物的流变行为十分复杂，流变学是 一门半经验的物理科学。

第一节 聚合物熔体的流变行为应力有三种类型：剪切应力τ、拉伸应力 σ和流体静压力ρ d 剪切应变γ 剪切应变速率 dt

聚合物的流变性质主要表现为粘度的变 化。根据流动过程中聚合物粘度与应力或应 变速率的关系，分为两大类(1)牛顿流体； ( 2 )非牛顿流体。

层流:液体主体的流动是按许多彼此平行的流层进行，同一流层之间各点的速度彼此 相同，但各层之间的速度不一定相等.

湍流: 当流速超过临界值时，流体会出现扰动，再大会变为湍流。雷诺准数Re作为层 流和湍流的区分系数 。 成型时的雷诺准数通常小于10,一般 为层流

一、牛顿流体及其流变方程1.牛顿流体的流变学方程

μ称为牛顿粘度，是液体自身固有的性 质，μ的大小表征液体抵抗外力引起流动变 形的能力，与液体的分子结构和所处温度有 关。其单位为帕斯卡秒(PaS)或泊。

2.牛顿流体的特点(1)牛顿流体的流动曲线是通过原点的直线。 直线的斜率是牛顿粘度，在一定温度下为一 常数。 (2)牛顿流体中的应变具有不可逆性质，即纯 粘性流动。

二、非牛顿流体及其流变行为非牛顿流体的特点：剪应力和剪切速 率间通常不呈比例关系，剪切粘度对剪切 作用有依赖性。将非牛顿流体的粘度定义 为表观粘度ηa。

1.非牛顿流体的类型根据应变中有无弹性效应和应变对时间 的关系，可分为：

粘性流体 粘弹性流体

假塑性流体 大多数聚合物 膨胀性流体 宾汉流体 τy:屈服应力

触变性流体 时间依赖性流体 震凝性流体

(1)假塑性流体 特点：熔体的表观粘度随着剪切应力的 增加而减小，聚合物流体中最常见的形态。 剪切变稀的原因：① 高分子链的严重不 对称；② 流动单元不是单个分子，而是超分 子群集体，剪切速率增加，尺寸变小，表观 粘度减小 ③大分子的缠结，形成大分子的物 理交链点，受到破坏后使得表观粘度下降。

(2)膨胀性流体

特点：表观粘度随剪应力的增加而上升剪切增稠的原因：静态时，流体勉强充满 固体粒子之间的小空隙，当剪应力不大时，流 体可在移动的固体粒子间充当润滑剂，表观粘 度不高，但当剪应力增高时，固体粒子间的紧 密堆砌就被破坏，整个体系显得有些膨胀，润 滑作用受到限制，表观粘度就增大

(3)宾汉流体 特

点：只有当剪应力高到屈服应力值时才发 生塑性流动，且剪应力与应变速率呈线性关系 流动方程：

y p

当剪应力小于屈服应力时为固体，一旦大于 该值立刻呈现流动行为，原因是流体静止时形成 了凝胶结构，外力增大受到破坏开始流动。如牙 膏、油漆、润滑脂、泥浆等都属于或接近宾哈流 体

(4)有时间依赖性的流体流体剪切速率不仅与所施加的剪切应力有 关，还依赖于应力所施加时间的长短，又有触 变性流体和震凝性流体两种

触变性流体：随剪切应力持续时间下降的流体 为摇溶性流体，如涂料和油墨。 震凝性流体：与上述溶液性质相反的流体。如 某些浆状物和石膏的水溶液。

触变性流体

震凝性流体

2.指数定律Ostwald-De Waele 提出的经验公式，在定

温、给定的剪切速率范围(一个数量级)内流动 时，剪切力和剪切速率具有指数函数的关系。 n 1 K n a K n K K:粘度系数，是液体粘稠性的一种量度。n:流动指数，表征液体偏离牛顿型流动的

程度。

n=1时，牛顿流体 n<1时，假塑性液体 n>1时，膨胀性液体

将指数定律用对数形式表示，能更好了 解n的意义log log K n log

log a log K (n 1) log

指数定律的另一种表达形式：

k m 1 K k n

1 或 k Kn

1 m n

K和k都是温度的函数，但温度变化时k 的变动幅度恒大于K,所以文献上常用k。

3.在宽广的 γ 范围内聚合物流体的行为

★第一牛顿区：低 范围，零切粘度ηo

解释：①聚合物结构未改变，粘度为常数。 ②大分子热运动强烈，削弱了应变对 应力的依赖性，粘度不改变。★非牛顿区：中等 范围(10~104秒-1),表观粘度ηa

切力变稀——假塑性流体 原因 切力增稠——膨胀性流体 原因★第二牛顿区：高 范围，极限粘度η∞

解释：① 形变达到极限，粘度已到最低值。② 大分子构想来不及适应 的改变，粘 度保持常数。