王十庆-高分子流变学Introductiontopolymerrheology
高分子材料流变学
高分子科学与工程学院
青岛科技大学
2．2．2 计算高分子液体黏度的经验方程
Ostwald-de Wale幂律方程（power law） 幂律公式
K n
n 1 a K
流动指数或非牛顿指数
n d ln d ln
图8-15 几种聚合物熔体剪切应力与剪切速率的关系 （测试温度200℃）
第4章 剪切黏度的测量方法 4．1 毛细管流变仪测量表观剪切黏度 4．2 恒速式双毛细管流变仪简介 4．3 锥－板型转子流变仪简介 4．4 落球式黏度计的测量原理 第5章 高分子熔体流动不稳定性 5．1 挤出过程中的畸变和熔体破裂行为 5．2 纺丝成型过程中的拉伸共振现象 第6章 加工成型过程的流变分析 6.1压延工艺的流变分析 6.2挤出成型的流变分析 6.3 注射成型的流变分析
聚合物
聚丙烯
聚合物 天然橡胶 低压聚乙烯 聚氯乙烯 聚苯乙烯
流动温度/℃
126-160 170-200 165-190 ～170
流动温度/℃
200-220 190-250 250-270 170-190
聚甲基丙烯酸甲 酯
尼龙66 聚甲醛
流动机理 研究表明，黏流态下大分子流动的基本结构单元并不是分子整链，而是链 段，分子整链的运动是通过链段的相继运动实现的。 研究高分子黏流活化能时发现，当熔体分子量很低时，随分子量增大而增 大。分子量达到一定值后，值趋于恒定。与该恒定值对应的最低分子量相 当于由20-30个C原子组成的链段的大小，说明熔体流动的基本结构单元 是链段。
青岛科技大学
高分子材料流变学
Rheology of Polymer Materials
王新 杨文君
Qingdao University of Science and Technology Qingdao，2011
高分子物理 聚合物流变学
small molecule hole
高分子熔体的流动：链段向 “孔穴” 相继跃迁 Reptation 蛇行
13
Flow curve
a
Kn
第一牛顿区
0零切粘度
第二牛顿区
无穷切粘度，极限粘度
假塑性区
流动曲线斜率n<1 随切变速率增加，ηa值变小 加工成型时，聚合物流体所经受的 切变速处于该范围内(100-103 s-1)
PC聚碳酸酯
63.9 79.2 108.3-125
PVC-U硬聚氯乙烯
147-168
PVC-P增塑聚氯乙烯
210-315
PVAc聚醋酸乙烯酯
250
Cellulose纤维素醋酸酯
293.320
Temperature
温度
Activation energy
粘流活化能是描述材料粘-温依赖性的物理量，表示流动单元（即链段） 用于克服位垒，由原位置跃迁到附近“空穴”所需的最小能量
183℃/PS
242k 217k 179k 117k 48.5k
28
分子量的影响
log
从成型加工的角度
降低分子量可增加流动性，改善加工性 能，但会影响制品的力学强度和橡胶的 弹性
牛顿流动定律
: Melt viscosity
液体内部反抗流动 的内摩擦力
1Pa s = 10 poise (泊)
牛顿流体的粘度仅与流体分子的结构和温度有关，与切应力和切变速率无关
7
Types of Melt Flow
液体流动的类型
类型
曲线 公式 实例
Shear stress Shear stress Shear stress Shear stress Viscosity
高分子流变学基本概念课件
高分子流体的粘弹性
弹性
高分子流体在受到外力作用时发生的形变能够部分恢复。
粘性
高分子流体在受到外力作用时产生的剪切应力。
粘弹性
高分子流体同时具有弹性和粘性，其流变行为受温度、应力和分 子结构的影响。
高分子流体的流动行为
层流与湍流
高分子流体在管中流动时，层流 状态下剪切速率与距离成线性关 系，湍流状态下剪切速率与距离 成非线性关系。
高分子流变学基本概 念课件
目录
CONTENTS
• 高分子流变学简介 • 高分子流体的基本性质 • 高分子流变学的基本理论 • 高分子流变学在工业中的应用 • 高分子流变学的未来发展
01 高分子流变学简介
高分子流变学的定义
总结词
高分子流变学是一门研究高分子材料 流动和变形的学科。
详细描述
高分子流变学主要研究高分子材料在 受到外力作用时发生的流动和变形行 为，以及流动和变形过程中涉及的物 理、化学和力学等现象。
流动曲线
描述剪切速率与剪切应力之间关 系的曲线，分为牛顿区、屈服点 和粘弹性区域。
流动不稳定性
高分子流体在流动过程中可能出 现的各种不稳定性现象，如拉伸 流动、漩涡脱落等。
03 高分子流变学的基本理论
唯象理 论
唯象理论是从宏观角度研究高分子流体的行为，通过实验观察和经验公式 来描述高分子流体的流变性质。
高分子流变学的跨学科研究
01
与物理学的交叉
研究高分子流体的热力学性质和 流动行为，探索高分子链的动力 学过程。
02
与化学的交叉
03
与工程的交叉
研究高分子材料的合成和改性， 探索高分子链的化学结构和反应 机理。
将高分子流变学的理论应用于实 际生产过程中，解决工程实际问 题。
《高分子材料流变学》的课程特点与教学体会
《高分子材料流变学》的课程特点与教学体会作者：王新,杨文君来源：《教育教学论坛·上旬》2011年第11期摘要：高分子学科的发展和人才需求的变化使高分子流变学知识在专业教学中的地位变得越来越重要。
本文简单介绍了青岛科学大学《高分子材料流变学》课程的发展历史，归纳了课程内容上特点和教学上应注意教学原则；结合作者的教学实践，对教学过程中采用的教学方法和手段进行了初步的探讨。
关键词：流变学；人才培养；教学；方法一、《高分子材料流变学》课程发展高分子材料流变学是一门伴随着高分子科学和行业发展而逐步建立起来的重要学科，针对高分子材料特殊的流动变形行为及其机理展开研究，起到连接高分子结构性能和高分子工程的桥梁作用。
现在，高分子科学理论研究及工艺、设备的设计优化的发展进步离不开高分子材料流变学知识的辅助，整体发展趋势要求高分子专业人才必须具备基本的高分子材料流变学知识。
青岛科技大学自1986年起开始设立《高分子材料流变学》课程，是国内最早开设该课程的高校之一，迄今已有20多年的教学历史，同时跟踪学科的发展，教学团队亦针对学科的前沿问题开展科研工作，在国际上形成了一定的学术影响力。
在长期的教学、科研实践积累和和对高分子流变学教学理解逐步深化的基础上，教学团队按照比较科学完整的体系，编写出版了《高分子材料流变学》教材，并得到国内院校的认可；另一方面，《高分子材料流变学》教学也凸现了专业特色，使学生质量有所提高。
通过引导学生开展理论联系实际、针对性强的流变理论研究与工程设计实践，所培养的学生学科专业知识全面，了解学科发展前沿，在以后的科研和工作实践中展现出较强的解决问题能力。
二、《高分子材料流变学》的特点及教学原则高分子材料流变学是随着高分子的合成、加工工程和实际应用的需要，于20世纪50年代逐步发展起来的新学科。
一方面，深入其核心需要较多的数学、物理和力学基础；另一方面，其知识体系与高分子化学、高分子物理、高分子的加工工程等有机联系。
高分子液体的流变性Nov课件
说明
（1）已知柔性链大分子在溶液或熔 体中处于卷曲的无规线团状。结构 研究表明，当熔体处于平衡态时， 熔体中大分子链构象接近Gauss链 构象（见图6-5）。
（2）当在外力或外力矩的作用下熔体流动时，大分子链的 构象被迫发生改变。同时由于大分子链运动具有松弛特性， 被改变的构象还会局部或全部地恢复。
K n
（6-4）
或 a Kn1
（6-5）
该公式称幂律方程。式中K（常数） 和 n 为材n料参dd数llnn，
称材料的流动指数或非牛顿指数，等于在 lnln
双对数坐标图中曲线的斜率。
K 是与温度有关的粘性参数。
高分子液体的流变性Nov课件
简单讨论
（1）对牛顿型流体，n =1，K = 0；
对假塑性流体，n <1。n 偏离1的程度越大，表明材料的假 塑性（非牛顿性）越强；n与1之差，反映了材料非线性性质 的强弱。
律 速，率其之粘间度不称再零呈剪直切线粘 关度 系， （也 图记6-3为）。 0 ；流速较高时，剪切应力与剪切
表观粘度 a ——定义曲线上一点到坐
标原点的割线斜率为流体的表观粘度
a /
（6-3）
可以看出，表观粘度是剪切速率（或剪切应力）的函数。 剪切速率增大，表观粘度降低，呈剪切变稀效应。
我们称这类流体为假塑性流体（大多数高分子熔体和浓溶液）。 表观粘度单位与牛顿粘度相同。
高分子液体的流变性Nov课件
链段
分子整链
分子整链的运动如同一条蛇的蠕动
高分子液体的流变性Nov课件
几点说明
（1）交联和体型高分子材料不具有粘流态，如硫化橡胶 及酚醛树脂，环氧树脂，聚酯等热固性树脂。
（2）某些刚性分子链和分子链间有强相互作用的聚合物， 如纤维素酯类、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚乙烯醇等，其 分解温度低于流动温度，因而也不存在粘流态。
《高分子材料流变学》的课程特点与教学体会
今 已有２ 多年的教学历史 ， ０ 同时跟踪学 科的发展 ， 教学
团队亦针对学科 的前沿 问题开 展科研 工作 ，在 国际上 形成 了一定 的学术影响力 。 在长期 的教学 、 科研 实践积 累和和对高分 子流变学 教学理解 逐步深 化 的基 础上 ， 教学团队按照 比较科 学完整的体 系 ， 写出版 了《 编 高分
的 增 长 图说 说 中 国 邮 电 业 务 在 ２ ０ 年 之 后 迅 速 发 展 的 ００
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编制 。）
（ 资料来源 ： 根据 苏联有关年份 国民经济 统计 资料 ．
原因。学生很 快回答 出如 网购 ， 加入世贸组织等 。从学 生们 的参 与热情来 看 ， 认为 ， 的这种 教学模 式 。 我 我 学 生们是喜欢的 ， 是有 效果 的。 总 而言之 ， 只要不 断探索 ， 熟练运 用 自制图表 ， 使 抽象 知识具体 化 、 散知识 系统化 、 零 复杂知 识概要化 ，
筑分子结构模型 ，关联 材料宏观力学响应行 为和微 观 的分子运 动过程 ， 明二者的联系。②高分子工程流变 说
Rheology(流变学基础)概述
三.粘弹性(Viscoelasticity)
➢ 高分子物质或分散体系具有粘性(viscosity)和弹性 (elasticity)双重特性，称之为粘弹性。
➢ 其原因主要是随着温度 的升高凡士林的蜡状骨架 基质产生崩解，另一方面， 液体石蜡聚乙烯复合型软 膏基质，通常在温度发生 变化的条件下能够维持树 脂状结构。
剂型设计和制备工艺过程中流变学的主要应用领域
➢ 应力缓和(stress relaxation)：物质被施加一定的压力 而变形，并使其保持一定应力时，应力随时间而减少，此 现象称为应力缓和。
➢ 蠕变性(creep)：对物质附加一定的重量时，表现为一 定的伸展性或形变，而且随时间变化，此现象称为蠕变性。
对于这种粘弹性，我们用弹性模型化的弹簧和把 粘性通过模型的缓冲器的复合型模型加以表示：
➢ Mervine和Chase提出混悬剂在贮藏过程中切变速度小 ，显示较高的粘性，切变速度变大，显示较低的粘性。即 混悬剂在振摇、倒出及铺展时能否自由流动是形成理想的 混悬剂的最佳条件。
表现假塑性流动的西黄蓍胶、 海藻酸钠、羧甲基纤维素钠等 物质，具有上述性能。图中用 牛顿流体性质的甘油为对照组 进行实验，结果说明，甘油的 粘性作为悬浮粒子的助悬剂较 为理想。如果从容器中到出以 及在皮肤表面涂膜时其粘度较 高,由于甘油本身的稠度较大， 且吸湿性高，所以不经稀释则 无法使用。触变性物质在静置 状态下可形成凝胶，经振摇后 转变为液状。
基质。
（二）流变学在乳剂中的应用
➢ 乳剂在制备和使用过程中往往会受到各种切变力的影响 。在使用和制备条件下乳剂的特性是否适宜，主要由制剂 的流动性而定。例如，为了使皮肤科用的制剂或化妆品达 到其质量标准，必须调节和控制好制剂的伸展性。另外， 为了使皮肤注射用乳剂容易通过注射用针头，且容易从容 器中倒出以及使乳剂的特性适合于工业化生产工艺的需要 ，掌握制剂处方对乳剂流动性的影响非常重要。
《高分子流变学》教学方法的探讨
二 、认真备课 ，收集相关知识点 资料
古人云 ：“ 凡事预则立 ，不预则废 。 ”课堂教学作为 整个教学过程的中心环节 ， 具有很强的科学性和连续性 ， 事前必须作充分的准备 ，否则就不能取得理想的效果。 因此备课是重要 的教学环节 ，亦是教师提高知识水平和 教学能力 、总结教学经验的过程。所 以这需教师花费大 量 的时间在备课上 ，通过一次次资料收集 ，一遍遍钻研 教材 、 确定教法 ， 对照课程学习要求 ， 对教材进行补充， 找 出重点 、难点 ，将各知识点按重要程度排列 ，进而组
（ ） 三 进行 专题 讲座 为了加深学生对高分子流变学原理以及实验仪器的 运用 ，在教学过程 中，在一些重要章节加入专题报告 ， 例如，在学习完非牛顿流体一章之后 ，给学生做了专题
高分子流变学作为高分子物理 的补充和高分子成型
加工原理与工艺的理论基础课 ，在培养高分子材料加工
成 型及 控制 的人 才 过程 中 占有 重要 的地 位 。 因此 国 内不
等流变学核心内容进行 了介绍 ，起点高 ，内容难 ，对学 生高等数学 的要求很高 ， 适宜研究生水平的教学。 塑料 《
和教学方法 的设计是首要考虑的问题。根据作者对本课
程的教学实践 ，作者有以下一些体会和想法 。
一
、
收集资料 。选择合适 的教材
对 于高 分子 流 变学 ，教 材 的选 择是 非 常重 要 的 ，这
主要 是 由于 流变 学 这 门课程 的教 材 的建 设相 对 滞后 。 目 前 国 内的教 材 比较少 ， 近几年 主要 有 以下 一些 ， 国芳 、 顾
需要精讲 。
绪论部分 （ 学时 ）掌握聚合物流变学的基本概念 、 ２ ，
内容和意义。重点掌握聚合物流变行为的特点，了解聚
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Introduction to Polymer Rheology
Shi-Qing Wang
Department of Polymer Science, University of Akron, Ohio44325 Introduction
The missions of polymer rheology
phenomenological <Maxwell level>, linear viscoelasticity
a> characterization tools
structural <molecular level>, i.e., molecular weight, MWD,
chain architecture <branching, functional moieties>, thus
heavily model dependent and theoretically intensive
nonlinear aspects
b> a sub-field of polymer science fluid mechanics of polymers – numerically intensive
processing behavior
i. Fluid dynamics/mechanics - study flow behavior of simple <Newtonian> fluids in
complex geometries and complex flow conditions including turbulent flow and thermal convection.
ii. Polymer rheology- explore flow behavior of polymeric <viscoelastic/non-
Newtonian> fluids in simple geometries.
iii.Fluid mechanics of polymers <relevant to processing> - investigate flow behavior of viscoelastic polymeric liquidsin complex geometries
PART A RHEOLOGY AS CHARACTERIZATION METHODS
I. Phenomenological linear viscoelasticity
1. Mechanical deformations
a. Step strain
b. Startup flow
c. Small amplitude oscillatory shear <SAOS>
2. Linear responses
a. Elastic Hookean solids
b. Viscous Newtonian liquids
c. Viscoelastic Maxellian responses
3. Classical rubber elasticity
III. Rheometry
Shear - A combination of extension and rotation
1. Flow due to boundary displacement
a. Linear displacementi. Sliding parallel platesii. Co-cylinder piston
b. Rotational motioni. Parallel disksii. Cone-plateiii. Couette
2. Flow driven by pressure
a. Capillary die
b. Channel slit
Extension
1. Instron type stretcher
2. Extender at fixed length
PART B RHEOLOGY AS SCIENCE
IV. Phenomenological accounts
1. Shear thinning
2. Strain softening
3.Wave distortion
4. Extrudate swell
5. Melt fracture
V. Homogeneous flow
1. Basic principle for rheometry
2. Equivalence between controlled-rate and controlled-stress shear
3. Flow homogeneity in diffusion limit – terminal flow
4. Non-entangled and weakly entangled polymers
VI. Wall slip – a case of inhomogeneous shear
1. Spurt and flow oscillatory
2. Navier-de Gennes extrapolation length b
3. Stick-slip transition
a. capillary flow
b. drag flow
4. Theoretical accounts
a. limit of small surface coverage - Brochard-de Gennes theory
b. saturated adsorption –disentanglement picture
VII. Flow inhomogeneity – strongly entangled polymers
1. New considerations based on viscoelasticity concept
2. Cohesion of entanglement network
3. Elastic yielding
4. Scaling characteristics of stress overshoot – a moving target
5. Deformation-induced structural disintegration – yield phenomenon
6. Case studies
i. Startup shear
ii. Large amplitude oscillatory shear
7. Uniaxial extensional flow
VIII. Experimental Approaches
1. Conventional rheometry
a. Finite size effects
i. free surface at meniscus in rotational rheometryii. entry flow in capillary rheometryb. Improved setupsi. Cone-partitioned plate for shear ii. Counter-rotation drums for extension
2. Rheo-optical <in situ> methods
a. Flow birefringencei. Stress optical rule <SOR>ii.Breakdown of SOR
b. Scattering
c. Spectroscopy <NMR, fluorescence, IR, Raman, dielectric>
3. Particle tracking velocimetry。