高分子流体流变性能测试分析讲义

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1、高分子流体流变实验及应用一、引言：1.高分子流体的流变测量目的①物料的流变学表征。是最基本的流变测量任务；通过测量掌握物料的流变性质与体系的组分、结构及测试条件的关系，为材料设计、配方设计、工艺设计提供基础数据，控制、达到期望的加工流动性和主要物理力学性能。②工程的流变学研究和设计的需要。借助流变测量研究聚合反应工程，高分子加工工程及加工设备、模具设计制造中的流场及温度场分布，确定工艺参数，研究极限流动条件及其与工艺过程的关系，为实现工程优化，完成设备与模具CAD设计提供定量依据。③检验和指导流变本构方程理论的发展。这是流变测量的最高级任务，这种测量必须是科学的，经得起验证的，通过测量，获

2、得材料真实的粘弹性变化规律及与材料结构参数的内在联系，检验本构方程的优劣。2.高分子流体流变测量学的具体任务①理论上，要建立各种边界条件下的可测之变量（如压力、扭矩、转速、频率、线速度、流量、温度等）与描述材料流变性质但又不能直接测量的物理量（如应力、应变、应变速率、粘度、模量、法向应力差系数等）间的恰当联系，分析各种流变测量实验的科学意义，估计引入的误差。②实验技术上，要能够完成很宽的粘弹性变化范围内（往往跨越几个乃至十几个数量级的变化范围），针对从稀溶液到熔体等不同高分子状态的体系的粘弹性测量，并使测得的量值尽可能准确地反映体系真实的流变特性和工程的实际条件。这两项任务都是相当艰巨的。

3、3.常用高分子流体流变测量仪器的类型①毛细管型流变仪，39根据测量原理不同又可分为恒速型（测压力）和恒压力型（测流速）两种。通常的高压毛细管流变仪多为恒速型；塑料工业中常用的熔融指数仪属恒压力型毛细管流变仪的一种。②转子型流变仪，根据转子几何构造的不同又分为锥—板型、平行板型（板—板型）、同轴圆筒型等。橡胶工业中常用的门尼粘度计可归为一种改造的转子型流变仪。③混炼机型转矩流变仪，实际上是一种组合式转矩测量仪。除主机外，带有一种小型密炼器和小型螺杆挤出机及各种口模。优点在于其测量过程与实际加工过程相仿，测量结果更具工程意义。常见的有Brabender公司和Haake公司生产的塑性计。④振荡型

4、流变仪，用于测量小振幅下的动态力学性能，其结构同转子型流变仪。只是通过改造控制系统，使其转子不是沿一个方向旋转，而是作小振幅的正弦振荡。所谓的Weissenberg流变仪属于此类。4.高分子流体流变测量的分类根据物料的形变历史分类，流变测量可分为稳态流变实验——剪切速率场、温度场恒为常数，不随时间变化；动态流变实验——应力和应变场交替变化，振幅小，正弦规律变化；瞬态流变实验——应力或应变阶跃变化，相当于突然的起始流或终止流。根据物料的流动形式分类，流变测量可以分为剪切流场测量，即1和2方向垂直；拉伸流场测量，即1和2方向平行。按照人们习惯的约定：方向1为流动的方向，2为速度梯度的方向，3为

5、中性方向。目前剪切流场的实验研究得透彻，测量仪器已基本定型；而拉伸流场的实验因其复杂性尚未完全定型，研究者往往自行设计测试方法和仪器。39一、高分子流体流变实验基本原理（稳态、动态及瞬态粘弹性表征）1.稳态粘弹性——简单剪切流动简单剪切流动又称测粘流动，其定义如下：在两个无限大的平行板之间充满液体，其中一板固定，另一板平行移动；流体在此移动板拽引作用下所形成的流动称为简单剪切流动（见下图1）。图1简单剪切流动示意图剪切应力（Shearstress）：，单位为Pa；剪切应变（Shearstrain）：，单位是无量纲；剪切应变速率（Shearstrainrate）或者剪切速率（Shearrat

6、e）：，单位1/s。剪切粘度（Shearviscosity），，单位为。粘度，流体流动的阻力，流体产生单位形变速率所需要的力；剪切粘度为流体在剪切流动的模式下产生单位剪切速率所需要的剪切力。高分子流体在简单剪切模式下流体内部的应力状况如下：39由于不管流体内部应力向量进行如何分解，虽然偏应力张量中的法向力数值变化，但是法向应力差和不变。因此我们定义两个法向应力差函数来描述材料的弹性行为：第一法向应力差函数；第二法向应力差函数。N1，N2在加上粘度函数，可以完整描述简单剪切流场中高分子流体的应力状态和粘弹性。1.动态粘弹性——小振幅振动剪切流动振动剪切流动如下图所示。图中，下板固定，上板来回

7、平移运动，两板间的流体发生振动剪切形变：图2振动剪切流动示意图式中：是振幅，是角频率。当振幅在较小数值时，聚合物流动呈现线性粘弹特性；当振幅超过一临界数值时，流动行为变成非线性。不同聚合物结构具有不同的临界振幅值。通常，这个临界振幅值小于0.2.人们习惯称小于临界的流动为小振幅振动剪切流动。小振幅振动剪切流动场中的速度、剪切速度、应力的表达式分别为：39；式中：为剪切速率的振幅；是相位角。由于相位角的存在，模量与粘度都是