第二章 流变学的基本概念2

1、第二章第二章 流变学的基本概念流变学的基本概念2高分子材料典型流变学行为高分子材料典型流变学行为研究高分子材料的流动与变形研究高分子材料的流动与变形高分子流变学高分子流变学高分子材料典型的流变学行为高分子材料典型的流变学行为(1) 魏森贝格效应魏森贝格效应 (Weissenberg )法向法向应力应力牛顿流体牛顿流体非牛顿流体非牛顿流体1944年年Weissenberg在英国伦敦帝国学院，公在英国伦敦帝国学院，公开表演了一个有趣的实验：在一只有黏弹性流开表演了一个有趣的实验：在一只有黏弹性流体（非牛顿流体的一种）的烧杯里，旋转实验体（非牛顿流体的一种）的烧杯里，旋转实验杆。对于杆。对于牛顿流体

2、牛顿流体，由于离心力的作用，由于离心力的作用，液面液面将呈凹形将呈凹形；而对于；而对于黏弹性流体黏弹性流体(非牛顿流体非牛顿流体)，却向杯中心流动，并沿杆向上爬，却向杯中心流动，并沿杆向上爬，液面变成凸液面变成凸形形，甚至在实验杆旋转速度很低时，也可以观，甚至在实验杆旋转速度很低时，也可以观察到这一现象。察到这一现象。粘弹性体的这种爬杆效应就称为粘弹性体的这种爬杆效应就称为“爬杆效应爬杆效应”或或Weissenberg效应效应 或或“包轴效应包轴效应”Weissenberg效应产生的原因：效应产生的原因：高分子液体是一种具有弹性的液体，当在高分子液体是一种具有弹性的液体，当在外力作用下旋转流动

3、时，具有外力作用下旋转流动时，具有弹性的大分子链弹性的大分子链会沿着圆周方向会沿着圆周方向取向和形变取向和形变拉伸拉伸，从而产生一种，从而产生一种朝向轴心的压力朝向轴心的压力（法向应力），迫使液体沿棒爬升。（法向应力），迫使液体沿棒爬升。利用包轴现象可以设计出一种利用包轴现象可以设计出一种圆盘挤出机，熔融的物料从加圆盘挤出机，熔融的物料从加料口加入，在料口加入，在旋转流动中沿轴旋转流动中沿轴爬升，而后从轴心处的排料口爬升，而后从轴心处的排料口排除排除，如左图所示。其优点在，如左图所示。其优点在于，制造方便。性能稳定，可于，制造方便。性能稳定，可以用作以用作橡胶加工螺杆挤出机橡胶加工螺杆挤出机的

4、的喂料装置，可以提高混合效果喂料装置，可以提高混合效果和基础挤出稳定性和基础挤出稳定性。(2) 剪切变稀现象剪切变稀现象(shear thinning)短管短管牛顿型液体牛顿型液体（甘油水溶液）（甘油水溶液）非牛顿型液体非牛顿型液体（聚丙烯酰胺水溶液（聚丙烯酰胺水溶液）P0 = N0 同时流尽同时流尽长管长管牛顿型液体牛顿型液体（甘油水溶液）（甘油水溶液）非牛顿型液体非牛顿型液体（聚丙烯酰胺水溶液（聚丙烯酰胺水溶液）P0 = N0 高分子溶高分子溶液首先流尽液首先流尽P0 = N0 高分子溶液在重力作用下发生高分子溶液在重力作用下发生“剪切变稀剪切变稀”效应效应剪切变稀现象产生的原因：剪切变稀

5、现象产生的原因：另外有一些高分子液另外有一些高分子液体，如高浓度的体，如高浓度的聚氯聚氯乙烯塑料溶胶乙烯塑料溶胶，在流，在流动过程中表现出粘度动过程中表现出粘度随剪切速率增大而升随剪切速率增大而升高的反常现象，高的反常现象，称称“剪切变稠剪切变稠”效应效应。通常把具有通常把具有“剪切变剪切变稀稀”效应的流体称为效应的流体称为假塑性流体假塑性流体，把具有，把具有“剪切变稠剪切变稠”效应的效应的流体称为胀流性流体流体称为胀流性流体。(3) 挤出胀大现象挤出胀大现象高分子熔体在加工过程中从口模处挤出时，或用毛细管流变仪、熔体指高分子熔体在加工过程中从口模处挤出时，或用毛细管流变仪、熔体指数仪进行粘度

6、测量时，出口直径一般要大于流道的直径，有时可能要大数仪进行粘度测量时，出口直径一般要大于流道的直径，有时可能要大于于3-4倍。当材料处于高弹态时，挤出胀大更为明显，这一现象就称之倍。当材料处于高弹态时，挤出胀大更为明显，这一现象就称之为为挤出胀大现象或口型膨胀效应。挤出胀大现象或口型膨胀效应。牛顿流体牛顿流体非牛顿流体非牛顿流体出口收缩出口收缩出口胀大出口胀大法向应力法向应力挤出胀大现象挤出胀大现象挤出胀大现象产生的原因：挤出胀大现象产生的原因：其产生的原因也被归结为高分子熔体具有其产生的原因也被归结为高分子熔体具有弹性记忆能力所致，当高分子流体被迫挤出时即想恢复它原来的状态，从而弹性记忆能力

7、所致，当高分子流体被迫挤出时即想恢复它原来的状态，从而出现胀大。出现胀大。当熔体进入口模时，收到强烈的拉伸和剪切形变，其中当熔体进入口模时，收到强烈的拉伸和剪切形变，其中拉伸形变属弹性形变，这些形变在拉伸形变属弹性形变，这些形变在口模中只有部分得到松弛口模中只有部分得到松弛，剩余，剩余部分在挤出口模后部分在挤出口模后发生弹性恢复发生弹性恢复，从而出现挤出胀大现象。，从而出现挤出胀大现象。挤出胀大现象影响到挤出制品的质量，对挤出成型工艺及挤出口挤出胀大现象影响到挤出制品的质量，对挤出成型工艺及挤出口模和机头设计至关重要模和机头设计至关重要(4) 不稳定流动和熔体破裂现象不稳定流动和熔体破裂现象高

8、分子熔体从口模挤出时，当挤高分子熔体从口模挤出时，当挤出速率（或应力）过高，超过某出速率（或应力）过高，超过某一临界剪切速率（或临界剪切应一临界剪切速率（或临界剪切应c），就容易出现），就容易出现弹性湍流弹性湍流，导，导致流动不稳定，挤出物表面粗糙。致流动不稳定，挤出物表面粗糙。随着挤出速率的增大，可能先后随着挤出速率的增大，可能先后出现出现波浪形、鲨鱼皮形、竹节形、波浪形、鲨鱼皮形、竹节形、螺旋形畸变螺旋形畸变，最后导致完全无规，最后导致完全无规则的挤出物断裂，称之为则的挤出物断裂，称之为熔体破熔体破裂现象。裂现象。波浪形波浪形鲨鱼皮形鲨鱼皮形竹节形竹节形螺旋形螺旋形不规则破碎形不规则破碎形

9、熔体破裂现象影响着高分子材料加工的质量和产率的提高（受熔体破裂现象影响着高分子材料加工的质量和产率的提高（受临界剪切速率的影响）临界剪切速率的影响）(5)无管虹吸、拉伸流动和可纺性无管虹吸、拉伸流动和可纺性对牛顿型流体，当虹吸管提高到离开液面时，虹吸现象立即终止。对牛顿型流体，当虹吸管提高到离开液面时，虹吸现象立即终止。对高分子液体，如聚异丁烯的汽油溶液或聚醣在水中的微凝胶体对高分子液体，如聚异丁烯的汽油溶液或聚醣在水中的微凝胶体系，系，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，这种现象称无管虹吸效应出，这种现象称无管虹吸效

10、应。 牛顿流体牛顿流体非牛顿流体非牛顿流体无管侧吸效应：无管侧吸效应：将一杯高分子溶液侧向倾倒流出，若使烧杯的位置部将一杯高分子溶液侧向倾倒流出，若使烧杯的位置部分回复，以致杯中平衡液面低于烧杯边缘，但是高分子液体仍能沿壁分回复，以致杯中平衡液面低于烧杯边缘，但是高分子液体仍能沿壁爬行，继续维持流出烧杯，直至杯中的液体全部流光为止。爬行，继续维持流出烧杯，直至杯中的液体全部流光为止。无管侧吸效应无管侧吸效应这些现象都与高分子液体的这些现象都与高分子液体的弹性行为弹性行为有关，这有关，这种液体的弹性性质使之容易产生拉伸流动，而且种液体的弹性性质使之容易产生拉伸流动，而且拉伸液流的自由表面相当稳定

11、。拉伸液流的自由表面相当稳定。实验表明，高分子浓溶液和熔体都具有这种性实验表明，高分子浓溶液和熔体都具有这种性质，因而能产生稳定的质，因而能产生稳定的连续拉伸形变，具有良好连续拉伸形变，具有良好的纺丝和成膜能力。的纺丝和成膜能力。(6) 各种次级流动各种次级流动 研究表明，高分子液体研究表明，高分子液体在均匀压力梯度下通过在均匀压力梯度下通过非圆形管道流动非圆形管道流动时，往时，往往在往在主要的纯轴向流动主要的纯轴向流动上，附加出现局部区域上，附加出现局部区域性的环流，性的环流，称为次级流称为次级流动，或二次流动，在通动，或二次流动，在通过截面有变化的流道时过截面有变化的流道时，有时也发生类似

12、的现，有时也发生类似的现象，甚至更复杂的还有象，甚至更复杂的还有三次，四次流动。三次，四次流动。椭圆管道椭圆管道锥形口模锥形口模牛顿流体旋转时的次级流动是牛顿流体旋转时的次级流动是离心力离心力造造成的。成的。高分子液体的次级流动方向往往与牛顿高分子液体的次级流动方向往往与牛顿型流体相反，是由型流体相反，是由粘弹力和惯性力粘弹力和惯性力综合综合形成的。这种反常的次级流动在流道与形成的。这种反常的次级流动在流道与模具设计中十分重要。模具设计中十分重要。(7) 孔压误差和弯流压差孔压误差和弯流压差 测量流体内压力时，测量流体内压力时，若压力传感器端面安若压力传感器端面安装得低于流道壁面，装得低于流道

13、壁面，形成凹槽，则测得的形成凹槽，则测得的高分子液体的内压力高分子液体的内压力将低于压力传感器端将低于压力传感器端面安装得与流道壁面面安装得与流道壁面相平时测得的压力，相平时测得的压力，如下图中有如下图中有ph p，这，这种压力测量误差称孔种压力测量误差称孔压误差。压误差。孔压误差孔压误差其产生原因被认为在凹槽附近，流线发生弯曲其产生原因被认为在凹槽附近，流线发生弯曲，但，但法向应力差效应法向应力差效应有使流线伸直的作用，于有使流线伸直的作用，于是产生背向凹槽的力。是产生背向凹槽的力。高分子液体流经一个弯型流道时，液体对流道高分子液体流经一个弯型流道时，液体对流道内侧壁和外侧壁的压力，也会因法

14、向应力差效内侧壁和外侧壁的压力，也会因法向应力差效应而产生差异。通常应而产生差异。通常内侧壁所受的压力较大。内侧壁所受的压力较大。(8) 湍流减阻效应湍流减阻效应在高速的管道湍流中，若加入少许高分子物质，如聚氧化在高速的管道湍流中，若加入少许高分子物质，如聚氧化乙烯（乙烯（PEOX），聚丙烯酰胺（），聚丙烯酰胺（PAAm），则管道阻力将大），则管道阻力将大为减少，又称为减少，又称Toms效应。效应。 机理目前尚不完全清楚，但肯定与高分子长链柔性分子的机理目前尚不完全清楚，但肯定与高分子长链柔性分子的拉伸特性有关。具有弹性的大分子链的取向改变管流内部拉伸特性有关。具有弹性的大分子链的取向改变管流

15、内部的湍流结构，使流动阻力大大减少。的湍流结构，使流动阻力大大减少。石油开采、输运、抽水灌溉、循环水等工农业生产中具有石油开采、输运、抽水灌溉、循环水等工农业生产中具有重要意义。重要意义。(9) 触变性和震凝性触变性和震凝性触变性（触变性（thixotropic）和震凝性（）和震凝性（rheopectic）指在）指在等温条件下，某等温条件下，某些液体的流动粘度随外力作用时间的长短发生变化的性质些液体的流动粘度随外力作用时间的长短发生变化的性质。粘度变小。粘度变小的称触变性，变大的称震凝性，或称反触变性。的称触变性，变大的称震凝性，或称反触变性。触变性和震凝性流体表现出奇异的流动曲线触变性和震凝

16、性流体表现出奇异的流动曲线触变性触变性: 一些高分子胶冻一些高分子胶冻/高浓度的聚合高浓度的聚合物溶液物溶液/一些填充高分子体系如炭黑混炼橡一些填充高分子体系如炭黑混炼橡胶。可怕的沼泽地也可归于触变性流体。胶。可怕的沼泽地也可归于触变性流体。震凝性震凝性: 适当调和的淀粉糊适当调和的淀粉糊/工业用混凝工业用混凝土浆土浆/某些相容性差的高分子填充体系等。某些相容性差的高分子填充体系等。 值得指出的是，一般触变过程和震凝过程均值得指出的是，一般触变过程和震凝过程均规定为等温规定为等温过程过程；凡触变体均可视为剪切变稀的假塑性体，但假塑；凡触变体均可视为剪切变稀的假塑性体，但假塑性体未必为触变体；同样，凡震凝体均可视为剪切变稠性体未必为触变体；同样，凡震凝体均可视为剪切变稠的胀流性体，但胀流性体未必为震凝体的胀流性体，但胀流性体未必为震凝体18聚合物聚合物流变行为流变行为与与数学模式数学模式（应力和应变的关系式或（应力和应变的关系式或应力和应变