14.流变性能剖析课件

1、 高聚物流变性能材料与化工学院焦明立1目录流变学原理流变仪器结构及其使用流变学研究在高分子中的应用2流变学的研究范围化妆品在皮肤上的涂抹及感觉牙膏的挤出特性及在牙刷上的稳定性番茄酱的倾倒和稳定，乳制品的特性甚至山脉的流动 !流变学流动变形3制造和使用产品 原材料 通过加工（变形） 制品产品 在外力或变形下使用 性能 流变学是高分子学科的基础 流变学是实验和实践科学Bingham 与流变学流变学4Rheology与 Theology 1927年，巴勒斯坦的土木工程师Reiner先生应美国化学家Eugene C. Bingham 的邀请到美国和Bingham 合作一项研究在工作中，他们感觉到，应该

2、有一个介于力学、化学和工程科学之间的-物理分支。他们请教了一位语言学家。凡是语言学家，都是言必称希腊的，这位语言学家造了“Rheology”这个新词来源于古希腊哲学家赫拉克利特的名言：“万物皆流。”“Rheo”在希腊语里是流动的意思。流变学5流变学的研究对象不仅研究形变、温度还研究与时间的相关性微观世界：分子结构的运动、温度与时间 宏观世界：应用环境的形变、温度与时间 形变时间(频率)温度观察点流变学6宏观世界: 形变与时间或频率的关系 流动过程 剪切速率 沉淀 (Sediments)10e-6 10e-4垂挂/流平 (Sagging/Leveling) 10e-2 10e-1管流 (Pipe

3、 Flow)10 1000混合(Mixing)10 1000挤出(Extrusion)1 100化妆品相关从瓶中倒出(Pouring from a bottle)10e1 10e2挤牙膏(Extrusion of toothpaste from a tube)10e2擦护手霜(application of hand lotions/creams)10e2 10e4涂口红，指甲油(Applying lipstick, nail polish) 10e3 10e4喷雾(Spraying aerosols)10e3 10e5粘合过程 粘合 (Tack)10e-2 10e-1键合(Press Bond

4、ing) 10e-1 1 脱粘(Peeling)10e2 10e4自动脱粘(Auto-debonding)10e-3 10e-2流变学7微观世界 : 分子结构的尺寸、温度与时间 松弛时间分布 分子运动 温度变化 侧基运动 主链运动 结晶 融熔流动tg tb tgg tg ta tmTg Tb Tgg Tg Ta Tm流变学8以宏观世界条件窥视微观世界反应 使用感官：无法定量时间尺度，无法量化 生产加工：时间尺度过短或过长， 无法逐步窥探微观世界 仪器检测：适当的时间尺度，可逐步窥探微观世界 材料特性全貌 = f(时间, 温度)表观物性观察点 = f(时间, 温度)测量尺度 = f(时间, 温度

5、）测量仪器/设备流变学9动态数据与样品结构的联系流变学聚二甲基硅氧烷 粘度10宏观世界联系微观世界事件时间分子运动时间快，善变，软，游离分子 慢，迟钝，硬，主链分子小分子，软链段，支链 大分子，硬链段，主链流变学11流变学的角色 微观世界与宏观世界的桥梁分子组成结构 仪器分析高分子科学流变学 加工性物性微观世界分子量与分子量分布支化与交联填料与基体材料的相互作用单相或多相结构作为以下参数的函数：应变 (应变率)温度时间 (频率)宏观世界流变学12控制参数形变低形变属于线性行为范围 高形变属于非线性行为范围内（断裂）温度频率时间低频相当于长时间行为 高频相当于短时间行为测量结果GG”Tand*流

6、变学13对小分子（或高分子稀溶液）来讲：剪切应力与剪切速率成正比流体的流速越大，受到的阻力越大。 流变学流体类型14比例常数 （粘度）是常数，不随剪切力和剪切速率的大小而改变的。 这种类型的流体称为牛顿流体。 的单位： N s m-2对高分子熔体等流体来讲：不是常数，不呈直线关系。流变学牛顿流体、非牛顿流体15高聚物流动-非牛顿流体 流变学16高聚物粘性流动的特点 假塑性流体剪切变稀 剪切速率流动粘度 大多数的高聚物属此类膨胀性流体剪切变稠 剪切速率流动粘度宾汉流体（塑性流体） 剪切应力某一临界应力时不发生流动流变学17 大，表明流动时阻力大，流动性差 小，表明流动时阻力小，流动性好 对于牛顿

7、流体： 对于非牛顿流体： 粘度18 剪切粘度的几种表示方法表观粘度： 最常用零剪切粘度（牛顿粘度）：19流变学20粘度-剪切速率曲线21流变学基础将粘弹性行为分割为完全弹性与完全变形行为t *(t)Timeg (t) 固体(完全弹性)行为t测量周期性应力Timeg (t)流体(完全变形) 行为t *(t)Timeg (t)t “(t)t (t)g施加周期性变形t *(t)Timeg (t)粘弹体行为d流变学22流变学与微观结构的关系流变学23实 验 仪 器24旋转式流变仪旋转粘度计分为同轴圆筒式、锥板式和或平行板式同轴圆筒式锥板式25平行平板粘度计（高粘度）间距可调推荐0.2 to 2.5 m

8、m (根据样品的粘度)可弃式平行板夹具针对热固性材料齿型平行板 针对易打滑样品26锥板粘度计（高剪切速率）测量材料范围：高分子熔体 流体 (悬浮液/乳液)由锥度固定夹具间距； 没有剪切速率梯度；等温实验；27同心圆筒粘度计材料材料范围： 低粘度流体有限稳定性的悬浮液对应力敏感性材料的面积效应装载过程中的加工历史旋转式流变仪是在低剪切速率下测定流变性能28熔体流动速率（熔融指数）测试仪定义在一定温度和压力下，聚合物熔体在10min内流过一个规定直径和长度的标准口模的质量克数（g/10min）。用途1）表征聚合物的流动性；2）表征聚合物分子量大小；表征聚合物分子量只有在化学组成和结构都相同的情况下

9、才可以比较分子量的相对大小29熔体流动速率测定仪30测试步骤加热仪器至所要求的测试温度；准备试样粒料、粉料或碎片；选择负荷法码；将试样加入料筒、压实并预热；计时并切割挤出物；称重并计算试验结果31常见热塑性塑料测试条件聚合物温度/负荷/KgPS2005PE1902.16/5/21.6PP2302.16ABS22010SAN22010PC300120PMMA2303.8POM1902.1632切割取样时间熔体流动速率/g.10min-1试样质量/g切割时间/s0.10.5352400.514612013.546603.51068301068515 如果试样的熔体流动速率小于0.1g/10min或

10、者大于100g /10min，建议不测熔体流动速率。33毛细管流变仪在恒压力或恒速率条件下，用柱塞将料筒中的聚合物熔体从具有一定口径和长径比的毛细管中挤出通过测定熔体在毛细管中流动的剪切速率和剪切应力，得到聚合物的流动曲线。剪切速率和温度可以在较大范围进行调节，从而得到十分接近于聚合物加工条件下的流变数据。34恒速毛细管流变仪结构示意图主体部分料筒、毛细管、压杆、加热炉、测力传感器；温控部分热电偶、温控仪表；机械传动电机、齿轮箱、速率控制器；数据采集与处理计算机柱塞以一定速度将熔体挤压出毛细管当熔体从毛细管挤出时，产生的粘性阻力作用在柱塞上由连接在柱塞上部的测力装置将其测量并记录下来35对应着

11、不同的柱塞压下速度V，可以测出相应的粘性阻力F。毛细管壁的剪切应力： 传感器测得的粘性阻力值（F） 毛细管的剪切应力值s 剪切应力36剪切速率毛细管壁处的剪切速率： 活塞杆下降速度（V）毛细管壁处的剪切速率 37剪切速率的表达式是通过牛顿粘性定律推导的而实际高聚物流体是非牛顿流体需要对剪切速率进行非牛顿修正，得修正后的剪切速率：式中 n 是非牛顿指数，可通过 lgs 对 lg作图，任一点切线斜率得到38 剪切应力和剪切速率 聚合物表观粘度 聚合物各种流动曲线表观粘度和流动曲线39毛细管流变仪的特点可在较宽范围内调节剪切速率和温度，得到与挤出、注塑等成型加工条件很接近的流变参数。其常用的剪切速率

12、范围为10106/S，剪切应力为104106 N/m2。毛细管流变仪在低剪切速率下应用时受到限制，而且不适宜测量低粘度流体40流变的应用范围高分子熔体弹性体热固性材料涂料，油墨，涂层食品 化妆品 / 日化 41高分子 / 塑料 / 熔体挤出流体表征共混相容性 尺寸稳定性 抗冲性工件会坍塌吗 ?如何获得较好的表面?两相材料可获得期望的性能吗?冲撞时可以起到保护作用吗? 充模完全吗?42 弹性体与橡胶 冲击特性 (保险杠发生弯曲还是脆裂 ?)玻璃化转变 (什么温度时变脆 ?)阻尼特性 (这么点橡胶垫可以对我的CD唱机防震吗?)43涂料，油墨，涂层涂刷性 (涂刷时方便吗?)流平性 (刷痕会流平吗?)

13、垂挂性 (刷在墙壁上的涂料会流下来吗?)印刷质量 (印刷时，油墨是停留在印的地方，还是散开来?)44流变曲线分辨MI不能区别的信息MI超高分子量PE的纺丝性能45粘度与分子量关系测分子量低频时差别明显毛细管流变仪46分子量宽度对流变性能的影响两种PP做塑料还是纤维？注塑位置47支化对流变性能的影响两种PE哪种更适合做吹塑？吹塑位置48 高分子加工过程中的流变学 离心浇铸注塑吹塑49高分子粘度的影响因素分子量增塑温度压力无机填充50研究材料的敏感性温敏性材料切敏性材料以上材料进行注塑，为了降低注射压力，是应该增加温度还是提高注射速率？51流变仪绝对流变仪测试粘弹性数据与绝对物理单位相关联，如力、长度、时间单位等能客观表征样品，实验结果可重复相对流变仪模拟真实过程的条件，使用缩小的内部混合器测量头（生产用混合器的微缩品）结果数据不是绝对值52转矩流变仪用于模拟实际生产条件下高分子材料的混合、复合以及塑化性能并可得到与实际生产相关的流变图，来描述物料的可加工