章聚合物的粘性流动演示文稿

章聚合物的粘性流动演示文稿当前1页，总共63页。（优选）第九章聚合物的粘性流动当前2页，总共63页。9.1.1聚合物粘性流动的特点(1)高分子的流动是通过链段的协同运动来完成的。(所以粘度大,流动性差)小分子液体流动可用简单的孔穴模型来说明：模型假设:①液体中存在许多孔穴，且孔穴尺寸与小分子液体尺寸相当；②无外力作用时，分子热运动无规则跃迁，和孔穴不断变换位置，发生分子扩散运动；③外力作用下，分子沿外力方向优先跃迁，形成宏观流动。高分子的流动不是简单的整个分子的迁移，而是通过链段的相继跃迁来实现的。形象地说，这种链段类似于蚯蚓的蠕动。这种链段模型并不需要在聚合物熔体中产生整个分子链那样大小的孔穴，而只要如链段大小的孔穴就可以了。当前3页，总共63页。(2)高分子流动不符合牛顿流体的流动规律对于牛顿流体，粘度不随剪切速率和剪切应力的大小而改变。切应力切应变当前4页，总共63页。各种流体的性质tNPDtcBN:牛顿流体P:假塑性流体D:膨胀性流体B:宾汉流体htNPDB当前5页，总共63页。(3)高分子流动时伴有弹性形变高分子的流动并不是高分子链之间简单滑移的结果,而是各个链段协同运动的总结果.在外力作用下,高分子链(链段)不可避免地要在外力作用的方向有所伸展(取向),当外力撤除后,高分子链又会卷曲(解取向),因而整个形变要回复一部分,表现出高弹形变的特性当前6页，总共63页。高聚物流体弹性：分子链构象不断变化粘性：流动中分子链相对移动——非牛顿流体非牛顿流体的流变行为用幂律方程表示K,n=const.n=1,牛顿流体n与1相差越大,偏离牛顿流体的程度越强n>1,膨胀性流体n<

1,假塑性流体当前7页，总共63页。9.1.2影响粘流温度的因素分子结构的影响分子链越柔顺，粘流温度越低；分子链的极性越大，粘流温度越高。分子量的影响分子量越大，分子运动时受到的内摩擦阻力越大；分子量越大，分子间的缠结越厉害，各个链段难以向同一方向运动，因此，粘流温度越高。外力的影响外力的大小与作用时间当前8页，总共63页。聚合物分子量与粘流温度的关系非晶聚合物成型加工温度范围：Tf~Td

(分解温度)如果聚合物的粘流温度太高，会造成成型加工困难，甚至会使聚合物在加工过程中热分解，因此，聚合物的分子量不宜太高，只要满足其机械强度即可。形变温度M1M2M3M4M1<M2<M3<M4当前9页，总共63页。9.1.3聚合物流动性的表征在成型过程中，聚合物熔体在挤出机、注射机或喷丝板等的管道中的流动都属于剪切流动（速度梯度的方向与流动方向垂直）因此，在大多情况下，可以用剪切粘度来表示聚合物熔体流动性的好坏。工业上常用熔融指数来表示聚合物熔体流动性的大小.当前10页，总共63页。剪切粘度t0A零切粘度微分粘度或稠度表观粘度粘度PN当前11页，总共63页。表观粘度(apparentviscosity)当前12页，总共63页。

在一定的温度下和规定负荷下,10min内从规定直径和长度的标准毛细管内流出的聚合物的熔体的质量,用MI表示,单位为g/10min.对于同种聚合物而言,熔融指数越大,聚合物熔体的流动性越好.但由于不同聚合物的测定时的标准条件不同,因此不具可比性.聚合物的熔融指数

Meltindex——简称MI当前13页，总共63页。

当前14页，总共63页。当前15页，总共63页。9.1.4聚合物熔体的流动曲线logtIIIIII第一牛顿区幂律区假塑区第二牛顿区当前16页，总共63页。表观粘度和剪切速率的关系haIIIIIIh0零切粘度h∞牛顿极限粘度请从分子链缠结的概念出发解释高聚物的流动曲线第一牛顿区幂律区假塑区第二牛顿区当前17页，总共63页。第一牛顿区：低剪切速率时,缠结与解缠结速率处于一个动态平衡,表观粘度保持恒定,定为0,称零切粘度,类似牛顿流体。幂律区：剪切速率升高到一定值,解缠结速度快,再缠结速度慢,流体表观粘度随剪切速率增加而减小,即剪切稀化,呈假塑性行为。第二牛顿区：剪切速率很高时,缠结遭破坏,再缠结困难,缠结点几乎不存在,表观粘度再次维持恒定,定为,称牛顿极限粘度,又类似牛顿流体行为。缠结解缠结当前18页，总共63页。9.1.5影响聚合物熔体粘度的因素加工条件温度剪切速率剪切应力压力结构因素分子量分子量分布支化当前19页，总共63页。(1)加工条件的影响ArrheniusEquation阿累尼乌斯方程E-粘流活化能viscousflowenergyWhenT>Tg+100高分子流动时的运动单元:链段(的协同运动)E由链段的运动能力决定,与分子链的柔顺性有关,而与分子量无关!!当前20页，总共63页。柔性链刚性链E小E大粘度对温度不敏感对剪切速率敏感粘度对温度敏感温敏材料切敏材料haTPCPEPOMPS醋酸纤维haPEPSPC醋酸纤维当前21页，总共63页。(2)粘度的分子量依赖性分子量M大,分子链越长,链段数越多,要这么多的链段协同起来朝一个方向运动相对来说要难些。此外,分子链越长,分子间发生缠结作用的几率大,从而流动阻力增大,粘度增加。M<McM>McloghalogMlogMc当前22页，总共63页。(3)粘度的分子量分布的依赖性现有分子量相同而分子量分布不同的两个试样低剪切速率时，高分子量部分为主要因素；高剪切速率时，低分子量部分为主要因素。loghaHighdistributionSmalldistributionWhy?当前23页，总共63页。(4)分子链支化的影响短支化时,相当于自由体积增大,流动空间增大,从而粘度减小长支化时,相当长链分子增多,易缠结,从而粘度增加当前24页，总共63页。(5)熔体结构的影响当分子量相同时，当T在160~200℃时，η乳液PVC<η悬浮PVC当T>200℃时，η乳液PVC≈η悬浮PVC此时，乳液法PVC中颗粒已完全消失，因而粘度差别不大。当前25页，总共63页。影响熔体粘度的因素当前26页，总共63页。9.1.6高聚物流体流动中的弹性表现高聚物流体是一种兼有粘性和弹性的液体.特别是当分子量大,外力作用时间短或速度很快,温度在熔点以上不多时,弹性效应显著(?)Weissenberg韦森堡效应(亦称法向效应或爬杆效应)Balus巴拉斯效应（亦称挤出涨大）不稳定流动当前27页，总共63页。一、法向应力效应法向应力效应是由韦森堡首先发现的，因此又称之为韦森堡效应，其现象如果用一轴在高分子熔体或溶液中快速搅拌，高分子熔体或溶液液面变化与小分子相反，熔体或溶液受到向心力作用，液面在转轴处上升，在转轴上形成较厚的包轴层，故也称为包轴现象。当前28页，总共63页。包轴现象是由高分子的弹性所引起的，分子链被拉伸取向缠绕在轴上，距转轴越近的高分子，受到转动线速度大，拉伸取向程度高，大分子取向后，其链段有自发恢复到蜷曲构向的倾向，但此时弹性回复受到转轴的限制，使这部分弹性能表现为一种包轴的内裹力。把高分子熔体沿轴往上挤（当然向下挤看不见）形成包轴层现象，其实质是由于高聚物熔体具有弹性。在受剪切作用而流动时会产生法向应力差。对于牛顿流体，是各向同性，在剪切力作用而流动时，法向应力差为零。

当前29页，总共63页。对于牛顿流体，是各向同性，在剪切力作用而流动时，法向应力差为零。对于非牛顿流体则是各向异性存在法向应力，第一法向应力差

第二法向应力差

且＝0.1~0.3

当前30页，总共63页。二、挤出涨大现象

1.定义：挤出涨大现象又称巴拉斯现象，是指挤出口模后，挤出物的截面积比口模截面积大的现象，是聚合物熔体弹性的表现。胀大比＝挤出物直径的最大值Dmax÷口模直径D0对于PP或PE，B可达3.0～4.5当前31页，总共63页。2.引起挤出涨大的原因①高聚物熔体在外力作用下进入窄口模，在入口处流线收敛。在流动方向上产生速度梯度，因而高聚物分子受到拉伸力，产生拉伸弹性形变。这部分形变一般在经过口模的时间内，还不及松弛，那么到了出口之后，外力对分子链的作用力解除，高分子将由伸展状态重新回到蜷曲状态，发生出口膨胀。②高聚物在模孔内流动时，由于切应力的作用，产生法向应力效应，由法向应力差所产生的弹性形变在出口模后回复，因而挤出物直径涨大。当前32页，总共63页。三、不稳定流动—熔体破裂(meltfracture)现象所谓熔体破裂现象是高聚物熔体在挤出时，如果剪切速度过大，超过某一极限值时，从口模出来的挤出物不再是平滑的，会出现表面粗糙、起伏不平、螺旋皱纹、挤出物扭曲甚至破碎等现象，也称为不稳定流动。

实际中应避免不稳定流动。当前33页，总共63页。四、

影响高聚物熔体弹性的因素1.剪切速率：随剪切速率增大，熔体弹性效应增大。

2.温度：温度↑，大分子松弛时间τ变短，高聚物熔体弹性↓。3.分子量及分子量分布分子量大或分子量分布宽，高聚物熔体弹性明显。①M↑熔体粘度η↑，松弛时间τ＝η/E↑，高分子弹性松弛慢，可观察到②分子量分布宽,E变小，τ↑熔体弹性明显。当前34页，总共63页。4.流道几何尺寸①流道管径突变：导致速度和应力分布不同，引起大小不同弹性形变。②L/D大，涨大值B小，因为毛细管长，在入口处由于流线收敛而引起的弹性形变可在管内松弛。5.増塑剂加入増塑剂，缩短物料松弛时间，减少高聚物弹性形变当前35页，总共63页。

拉伸粘度和动态粘度

1.

拉伸流动在流动中凡是发生了流线收敛或发散的流动都包含拉伸流动成分拉伸流动的特点：液体流动的特点速度梯度方向与流动方向向平行，此时流动速度沿流动方向改变。

单轴拉伸流动：一个方向流动拉伸流动

双轴拉伸流动：两个互相垂直方向拉伸一、拉伸流动和拉伸粘度当前36页，总共63页。特鲁顿关系式：对于牛顿流体单轴拉伸时：

－拉伸应力

－拉伸应变速率

－拉伸粘度，特鲁顿粘度

（剪切粘度）双轴拉伸时，若，而对牛顿流体

：双轴拉伸粘度

尚在研究中当前37页，总共63页。二、动态粘度

在动态力学实验中，常常施加给定的正弦应变

，求应变响应若用复数表示

应变速度对于粘弹体

应力超前应变复数粘度

因此复数粘度

由实数和虚数两部分组成粘度的实数部分称为动态粘度，表征粘性贡献。虚数部分则表示弹性贡现当前38页，总共63页。9.2

多相高分子材料的流变性能

及其形态

一、概述共混高分子材料：PS/PP,PVC/NBR,PE/NR等1.多相(multiphase)高分子材料主要包括三大类：

PP/CaCO3,PE/高岭土填充高分子材料：增强高分子材料玻纤增强塑料2.影响多相高分子流变性能因素①体系中各组分的相对含量，即谁是连续相(continuousphase)，谁是分散相(dispersephase)②剪切应力或剪切速率当前39页，总共63页。③温度④模具形状⑤流动形态二、多相高聚物粘度与组成关系（一）高聚物/高聚物共混体系主要有以下情况1.共混物粘度介于两种共聚物粘度之间2.小比例共混使粘度大大下降，且共混物粘度比两组分本身粘度都小

如Viton/EPDM含氟弹性体解释原因：熔体的超分子结构角度。当一种聚合物中含有少量另一种高聚物时，可大大改变熔体超分子结构。因而粘度大幅下降。第二种高聚物继续增加时，熔体的超分子结构不再影响改变，因而粘度变化趋缓。当前40页，总共63页。

3.共混物熔体的粘度随混合比变化出现极大值或极小值

出现极大值或极小值的原因：相逆转，粘度突变连→分分→连

当前41页，总共63页。（二）填充体系1.高聚物加入CaCO3碳黑等填料时，通常使高聚物粘度增大影响因素：①填料量②填料颗粒形状，粒径大小及分布③填料对高聚物的亲和性2.弹性减小：通常被挤出物料熔体弹性效应减小当前42页，总共63页。三、多相高聚物流变性与形态的关系当某一共混比时（HDPE/PS=75/25）,若共混物微观上上两相分散很充分，很难分出连续相和分散相，此时两相界面间作用力大，共混物流动阻力大，粘度出现极大值，反之，则出现极小值。当前43页，总共63页。9.3聚合物熔体的切粘度测试方法落球粘度计毛细管流变仪旋转流变仪当前44页，总共63页。①落球粘度计

(fallingsphereviscometer)当前45页，总共63页。②毛细管流变仪(capillaryviscometer)

当前46页，总共63页。当前47页，总共63页。③同轴圆筒粘度计

(coaxialcylinderviscometer)当前48页，总共63页。当前49页，总共63页。同心圆筒夹具材料材料范围：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当前50页，总共63页。平行板夹具间距可调推荐0.2to2.5mm(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当前51页，总共63页。锥板/平行板夹具测量材料范围：高分子熔体流体(悬浮液/乳液)由锥度固定夹具间距；在动态应变扫描或稳态应变扫描实验中没有速度的梯度；等温实验；当前52页，总共63页。固体扭转夹具应用范围 高模量固体样品热固性材料热塑性材料弹性体当前53页，总共63页。材料的流变性能举例•流变性能–粘度与流动–模量与弹性当前54页，总共63页。宏观世界:应用背景的形变、时间与温度

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