流变学重点难点指导.doc

流变学重点难点指导一、 名词解释举例：1、简单剪切流动2、粘度3、松弛4、蠕变5、剪切速率6、粘流活化能 7、线性弹性体的剪切模量8、线性粘弹性体的剪切松弛模量其它：流变学 聚合物流变学 杨氏模量 泊松比 剪切模量 剪切速率 粘度 相对粘度 特性粘数 粘流活化能 应变史 应力史 蠕变 松弛 储能剪切模量 耗能剪切模量 线性粘弹性体的蠕变柔量和松弛模量答案示例：1、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，流体在此移动板曳引作用下所形成的流动称为简单剪切流动。2、对牛顿流体，可以定义粘度 ，即剪切应力与剪切速率之比对非牛顿流体，与牛顿流体类比，可以定义 为表观剪切粘度；同时定义 为微分剪切粘度或称真实剪切粘度。3、松弛指在一定的温度和较小的恒定应变下，材料的应力随时间增加而减小的现象。对简单剪切流动，剪切速率，即剪切应变与剪切时间之比；对非简单流动，剪切速率4、蠕变指在一定的温度和较小的恒定外力（拉力、压力或扭力）等作用下，材料的形变随时间增加而增大的现象。5、对简单剪切流动，剪切速率，即剪切应变与剪切时间之比；对非简单流动，剪切速率6、粘流活化能是描述物料粘-温依赖性的物理量，是流动过程中，流动单元用于克服位垒，由原位置跃迁到附近“空穴”所需的最小能量。7、线性弹性体的剪切模量为剪切应力和剪切应变之比8、线性粘弹性体的剪切松弛模量，其中，为随时间变化的剪切应力函数， 为剪切应变二、 作图举例：1、在直角坐标系中用立方体微元图示示意应力分量txz， tzz ，并用文字注明其含义2、建立合理坐标系用图示示意Poiseuille流动下的第一、第二法向应力差，并用文字及方程毛细管流变仪原理3、画出熔融指数仪的基本结构示意图并标示出其主要组成部分其它：1、在直角坐标系中用立方体微元图示示意应力分量txx，txy ，txz，tyx，tyy，tyz，tzx， tzy，tzz 2、建立合理坐标系将图示与方程结合示意Poiseuille流动、Coutte流动、椎板流动下的第一、第二法向应力差答案示例：1、TzxTxxyz单位立方体上Txx，Tzx应力分量示意图xTxx表示在x不变的平面上指向x方向的应力分量，为法相应力分量；Tzx表示在z不变的平面上指向x方向的应力分量，为切相应力分量。2、建立如上图所示的主坐标系，流体沿z方向流动，r方向为速度梯度方向，方向为中性方向，则第一法向应力差系数为第二法向应力差系数为3、三、 填空举例：1、聚合物对应力的响应可分为_和_。2、毛细管流变仪可以分为两类，一类是_，另一类是_。3、压力型毛细管流变仪可分为_和_。4、根据应变和应力施加的方式，旋转型流变仪的测试模式一般可以分为_、_和_。5、聚合物流变性的特点是_、_、_。6、线性弹性变形的特点是_、_、_、_、_。7、根据流动方式的不同，三种主要的粘度计类型是_、_、_。8、重力毛细管粘度计用于测定_（牛顿、非牛顿）流体的粘度。9、根据对弹性力产生的贡献，弹性可以分为能弹性和熵弹性。线弹性材料的弹性主要是_。橡胶弹性主要是_。10、扭矩式流变仪由_、_、_三部分组成。11、从无定形线型高分子量聚合物的典型应力松弛约缩曲线可以看出，随着松弛时间的增长，松弛区域可以分为_、_、_、_四个区。12、孔式粘度计主要用于测定_、_的粘度。13、线性粘性变形的特点_、_、_、_。14、PVC的扭矩谱中有_、_、_三个峰。答案示例：1、粘性流动和弹性变形2、压力型毛细管流变仪，重力型毛细管流变仪3、恒压型和恒速型4、稳态测试、瞬态测试 动态测试5、多样性、高弹性、时间依赖性6、变形的时间依赖性、流体变形的不可恢复性、能量散失、正比性7、毛细管粘度计、旋转粘度计、落球式粘度计8、牛顿9、能弹性 熵弹性10、测试机、驱动及扭矩传感器、计算机控制装置11、玻璃区、粘弹区、橡胶平台高弹区、粘流区12、涂料、粘合剂13、变形小、变形无时间依赖性、变形在外力移除后全完全回复、无能量损失、应力和应变成正比关系14、加料峰、熔融（塑化）峰、分解峰四、 计算举例：1、对某种聚乙烯进行熔融指数实验，口模直径为2.095mm，实验温度为190摄氏度，负荷为2.16kg，时间间隔为30秒，共测量5段，质量分别为0.149克，0.148克，0.15克，0.151克，0.152克。求此种聚乙烯在此条件下的熔融指数解：根据 并对各次实验结果进行平均得此种条件下熔融指数为3g/10min2、对某聚合物进行流变测量，得到以下数据剪切应力（kPa）200210220240260270280300180摄氏度下剪切速率（s-1）200356396486220摄氏度下剪切速率（s-1）211234261322378421550（1） 画出不同温度下的流动曲线（2） 以180摄氏度为参考温度，取若干合适的值，求出平均平移因子（3） 画出180摄氏度下由时温叠加得到的总流动曲线（运算、作图过程中单位要求统一到国际单位）解：平移因子，所以 ，图略3、为指导生产，用毛细管流变仪对某高聚物在特定温度下熔体做了四次流变实验，实验数据如表所示。其中，Q为流量，P1为入口区传感器测得的压力，P2为以P1对毛细管长径比作图（即P1为纵坐标），所得直线与纵坐标的截距。所用毛细管直径为2mm， 长度为60mm。 次数参量1234Q（103mm3）2.321.590.920.62M0.30.40.60.8P1（103Pa）18001200800600P2（103Pa）50020010050查资料得到公式如下管壁处的表观剪切速率，管壁处的真实剪切速率，管壁处的实际剪切应力为（1） 求出四组实验管壁处的实际剪切应力 ， ， （2） 若表中m为对作图所得曲线在实验所得点处的切线斜率，求管壁处的真实剪切速率，（3） 若已知该聚合物熔体基本符合幂律流体的特征（），试总结出管壁处真实剪切应力与真实剪切速率之间的关系式解（1）根据 得 =10.83（kPa）， =8.33（kPa），=5.83（kPa），=4.58（kPa）（2）管壁处的表观剪切速率，所以D1=2.95（103s-1） D2=2.02（103s-1） D3=1.17（103s-1） D4=0.79（103s-1）管壁处的真实剪切速率，所以K1=4.67（103s-1），=2.78（103s-1），=1.37（103s-1），=0.84（103s-1）（3）对取对数，由，和 ，可以看出(线性回归或借方程组)，a=5，b=0.54、为指导生产，用毛细管流变仪对牌号HDPE在180摄氏度下做了五次流变实验，实验数据如表所示。其中，S为活塞杆下降速度，P为入口区传感器测得的压力，P0为以P对毛细管长径比作图（即P为纵坐标），所得直线与纵坐标的截距。所用料桶直径为15mm，所用毛细管直径为0.5mm， 长度为8mm。（运算过程中单位要求统一到国际单位） 次数参量12345S（mm/min）0.660.831.051.662.08P（106Pa）15.5317.317.7120.4621.8P0（106Pa）1.471.661.712.162.43（1） 求出四组实验管壁处的表观剪切速率 （2） 求出四组实验管壁处的真实剪切应力（3） 若已知该聚合物熔体符合幂律流体的特征，试总结出管壁处真实剪切应力与表观剪切速率之间的关系式（1）表观剪切速率所以， ， ， （2）真实剪切应力所以 ， ， ，（3）对幂率模型两边取对数并作图如下拟和结果为y=4.8+0.27x所以管壁处真实剪切应力与表观剪切速率之间的关系式为5、 聚乙烯试样长6cm，宽1cm，厚0.25cm，加载1000N进行蠕变试验，得到数据如下：时间t（分）0.1110100200400长度l（cm）6.0606.0886.1496.2146.2306.235如果Boltzmann原理有效，在200分钟时载荷加倍，问400分钟时试样长度为多少？（10分）解：设蠕变柔量为J（t）则第一次实验：第200分钟时试样的长度 l200=8.250=8+1000 J（200）第400分钟时试样的长度 l400=8.255=8+1000 J（400）第二次实验第400分钟时试样的长度 l400=8.255=8+1000 J（400）+1000 J（400-200）=8.505 (cm)6、假设流体为不可压缩粘弹性流体，毛细管半径为R,完全发展区长度为L,物料在柱塞压力下作等温轴向层流，试写出毛细管完全发展区的连续方程、运动方程，假设管壁处无滑移，写出毛细管内的剪切应力分布以及管轴心和管壁处的剪切应力。（20分）其它：1、 Hagen-Poiseuille方程的推导2、 Coutte流动粘度的测量原理3、WeissenbergRabinowitch校正4、粘流活化能的计算条件：分别在140，160，180，200，220下做五组流变实验，每个温度下的剪切速率均设定209s-1，300s-1，409 s-1，521 s-1，707 s-1，1021 s-1六个剪切速率，测算出各温度和剪切速率下的对应的粘度。计算：EVA的粘度与温度的关系可以Arrhenius关系来描述： （4-4）其中：粘流活化能（）普适气体常数8.314（）温度（K）常数将式（4-4）两边取对数得到： （4-5）可以看出，以对作图，根据斜率可以求出E，根据截距可以求出A。因为与数量级相差过大，因此本文中采用对作图（如图4-2所示），相应得直接由该图求出的粘流活化能E的单位变为。按上述方法拟合并整理后，各剪切速率下粘度与温度的关系如下：209s-1时 R=0.912 SD=0.103 （4-6）即此时 A=23.57 粘流活化能 为10.65KJ/mol（或写为 10.65103J/mol）300s-1时 R=0.947 SD=0.084 （4-7）409s-1时 R=0.962 SD=0.070 （4-8）521s-1时 R=0.973 SD=0.058 （4-9） 707s-1时 R=0.982 SD=0.051 （4-10）1021s-1时 R=0.917 SD=0.124 （4-11）图4-2 EVA的表观粘度与温度的关系Fig.4-2 The relationship between apparent viscosity of EVA and temperature论述举例：1、 介绍几种（至少三种）聚合物熔体区别于牛顿流体的奇异流动特性及其产生原因答：（任意答出3项即可）（1）剪切变稀。大多数高分子液体，即使温度不变，粘度也会随剪切速率（剪切应力）的增大而下降，即呈“剪切变稀”行为。主要由于剪切时高分子发生定向、伸展、变形、分散等微观结构变化（2）爬竿现象。在盛有液体的容器中插入圆棒旋转时，牛顿流体（N）因惯性作用而被甩向容器壁附近，高分子熔体反而环绕在旋转棒附近，形成沿棒上爬的“爬竿现象”。出现这一现象的原因被归结为高分子液体是一种具有弹性的液体，法向应力起主要作用。（3）挤出胀大现象高分子熔体被强迫挤出口模时，挤出物尺寸大于口模尺寸，截面形状也发生变化的现象叫做挤出胀大现象。其产生的原因被归结为高分子熔体具有弹性记忆能力所致。（4） 不稳定流动和熔体破裂现象高分子熔体从口模挤出，当挤出速度（或应力）过高，超过某一临界剪切速率（或临界剪切应力），就容易出现弹性湍流，导致流动不稳定，挤出物表面粗糙。随着挤出速度的增大，可能出现波浪形、鲨鱼皮形、竹节形、螺旋型畸变，最后导致完全无规则的挤出物断裂，称之为熔体破裂现象。目前认为这是高分子熔体的弹性表现。（5） 无管虹吸，拉伸流动和可纺性如图4所示，对高分子液体，当虹吸管升离液面后，杯中的液体仍能源源不断地从虹吸管流出，这种现象称为无管虹吸效应。这种现象产生的原因是液体的弹性使之容易产生拉伸流动，而且拉伸也流的自由表面相当稳定。2、下图是Tordella在做流动双折射实验时观察到的LDPE熔体的流动情况，试剪切速率增大时阐述LDPE型熔体破裂的机理3、HDPE的破裂现象、原理及解决办法4、熔融指数测量的主要影响因素有哪些1、（1）弹性因素弹性因素使挤出速率开始时下降，为消除它的影响，将试样加入料桶后，先加上载荷的一部分，使熔体弹性得到一定的恢复。（2）容量效应测量过程中，熔体流速逐渐加大，应该在同一高度上截取样条。（3）热降解的影响使粘度下降，加速流动，应该将料尽量压实，同时加入热稳定剂，也可以通入氮气保护。（4）温度波动的影响温度越高流动速率越大，因此，应该尽量控制温度波动。（5）水分含量的影响对极性聚合物，水分子含量越大，流动速率越快，应该在实验前进行干燥。5、举例说明流变学对模具制造的指导意义，并简要介绍你所知道的目前此方面的科技成果传统的模具设计是在正式生产前，由于设计人员凭经验与直觉设计模具，模具装配完毕后，通常需要几次试模，发现问题后，需要重新模具设计，这势必增加生产成本，延长产品开发周期。流变学的连续性方程、运动方程、能量守恒方程以及本构方程和边界条件可以组成封闭的方程组，从而在模具制造之前，预测塑料熔体在型腔中的整个成型过程，帮助研判潜在的问题，有效地防止问题发生，大大缩短了开发周期，降低生产成本。计算机辅助工程（CAE）技术已成为塑料产品开发、模具设计及产品加工中这些薄弱环节的最有效的途经。Moldflow就是基于流变学原理开发的CAE软件。moldflow能够准确预测出熔体的填充、保压、冷却情况，制品中的应力分布、分子和纤维取向分布，以及制品的收缩和翘曲变形等情况，以便设计者能尽早发现问题，及时修改制件和模具的设计，而不是等到试模以后再返修模具。6、 如何区别高分子熔体的表观剪切粘度和真实剪切粘度，常见物理量如温度、压力、剪切应力、剪切速率对高分子熔体的剪切粘度有何影响，并根据高分子物理的基本理论对这些影响做出合理的解释？（15）答：1、与牛顿流体类比，可以定义 为高分子流体的表观剪切粘度。对幂率流体而言，可以定义 为高分子流体的真实剪切粘度。可以看出 。 因为n1，所以，。表观剪切粘度不是材料不可逆形变难易程度的真实真实度量。按公式计算得到的表观剪切粘度实际是材料所经历的不可逆的粘性流动和可逆的弹性形变汇合在一起反映的剪切应力和剪切速率之比，所以它比材料的真实粘度要小。2、常见物理量对剪切粘度的影响如下（1）温度图8给出了压力和温度变化对聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）零剪切粘度的影响，可以看出，温度升高物料粘度下降；压力上升，物料粘度升高。粘流活化能是描述物料粘-温依赖性的物理量，其定义为：流动过程中，流动单元用于克服位垒，由原位置跃迁到附近“空穴”所需的最小能量。一般说来，分子链刚性大，极性强，或含有较大侧基的高分子材料，粘流活化能较高；反之则较低。（2）剪切速率和剪切应力的影响剪切应力和剪切速率对高分子液体剪切粘度的影响主要表现在“剪切变稀”效应。“剪切变稀”的机理可以认为在外力的作用下，材料内部原有的分子链缠结被打开，或者使缠结点浓度下降；也可以理解为外力作用下分子链沿流动方向取向，使材料粘度下降。图9为三种橡胶粘度曲线的对比。可以看出，剪切速率较低时的剪切速率与整个加工过程的剪切速率差别较大。天然橡胶丁基橡胶丁苯橡胶图9 三种橡胶粘度曲线的对比（3）压力的影响压力对高分子液体流动的影响主要是，压力增高，材料流动性下降，年度上升。这可以归结为，在高压下，高分子材料内部的自由体积减小，分子链活动性降低，从而使玻璃化转变温度升高。（4）配合剂的影响配合剂中对流动影响较为显著的有两大类：填充补强材料、软化增速材料。填充补强材料加入到高分子材料后使体系粘度上升，弹性下降，硬度和模量增大，流动性变差。而软化剂则减弱物料内大分子链的相互牵制，使体系粘度下降，非牛顿性减弱，流动性得以改善。7、流变测量中哪些参量与高分子熔体的弹性行为有关，以文字结合图形的方式对这些参量予以说明。目前定量描述能够定量描述高分子熔体弹性效应的物理量主要有以下几个：1、 可恢复形变量Sr采用转子流变仪进行如下实验：先对流变仪中的液体施以一定的外力，将其形变曲线记录在图7中。然