第五讲 高分子溶液动力学和流变学R
高分子材料流变学教学

高分子材料流变学教学引言高分子材料流变学是研究高分子材料在外力作用下的变形和流动行为的学科,对于合理设计高分子材料的工艺参数、提高高分子材料的加工性能具有重要意义。
本文将介绍高分子材料流变学教学的内容、教学方法和案例分析,以帮助学生深入了解该学科的基本概念和实际应用。
教学内容高分子材料流变学教学主要包括以下内容:1.高分子材料的力学性能:介绍高分子材料的弹性、塑性和黏弹性等力学性能,以及与这些性能相关的工艺因素和材料结构的关系。
2.流变学基本概念:介绍高分子材料流变学的基本概念,包括应力、应变、应变速率、粘度、屈服应变等,以及流变学中常用的测试方法和仪器。
3.流变学模型与实验数据处理:介绍高分子材料流变学的常用模型,如弹性模型、粘弹性模型和塑性流变模型,并探讨如何利用实验数据对模型进行参数拟合和分析。
4.高分子材料加工和应用:介绍高分子材料在不同加工条件下的流变行为,如挤出、注塑和拉伸等,以及高分子材料的应用领域,如塑料制品、橡胶制品和复合材料等。
教学方法高分子材料流变学教学可以采用以下方法:1.理论讲解:通过教师的讲解,介绍高分子材料流变学的基本概念和理论知识,帮助学生建立起对该学科的整体认识和框架。
2.实验操作:通过实验操作,让学生亲自进行流变学测试,并学习如何操作流变仪器和处理实验数据,加深对流变学知识的理解和应用。
3.讨论和案例分析:通过讨论和案例分析,引导学生分析和解决实际问题,培养学生的独立思考和问题解决能力。
4.专业实习:安排学生到工业企业或科研机构进行实习,让学生实践所学的流变学知识,并了解高分子材料流变学在实际工作中的应用。
案例分析下面以挤出加工为例进行案例分析:挤出是一种常用的高分子材料加工方法,通过挤出机将高分子材料加热融化后,通过模具挤出成型。
在挤出过程中,高分子材料会受到剪切力和压力的作用,因此流变学的知识对于优化挤出工艺和提高产品质量具有重要影响。
在案例中,学生需要分析挤出过程中高分子材料的流变行为,并根据实验数据对材料流变模型进行拟合和参数分析。
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

高分子材料流变学高分子材料是一类大分子化合物,在工业、生活中广泛应用,如聚乙烯、聚氨酯、聚酰胺等。
高分子材料在流变学中具有独特的物理性质。
流变学是研究物质内部变形的学科,它揭示了物质在受力作用下的变形规律,包括粘弹性、塑性、弹性等性质。
高分子材料的流变学研究对于了解其本质、设计新材料以及控制加工过程具有重要意义。
高分子材料的流变学行为主要有以下几个特点:1. 高分子材料具有非牛顿性质。
牛顿性质是指流体的应力与应变率成比例。
高分子材料在流变学中的非牛顿性表现为其应力-应变率曲线不是一条直线,而是弯曲的曲线,即呈现出剪切黏度的变化。
2. 高分子材料具有黏弹性。
在受力加速度作用下,高分子材料既具有黏度,同时又具有弹性。
这种黏弹性特征表现为高分子材料在受力后能够保持一定时间的形状,而不会立即回复到原始形状。
3. 高分子材料具有稀溶液的行为。
高分子材料最为常见的形态是稀溶液。
由于高分子材料的分子量较大,其在溶液中的浓度很低。
此时,高分子材料能够表现出溶液的流变学性质。
4. 高分子材料的流变行为受温度、负荷历史和加速度作用等因素的影响较大。
当温度增大时,高分子材料的流变性质将发生变化。
不同的负荷历史将导致高分子材料的流变性质发生变化,这对高分子材料加工、使用过程中的性能具有显著影响。
在受到不同加速度作用的情况下,高分子材料的流变性质也将发生变化。
5. 高分子材料的流变学行为与形状和尺寸等参数有关。
高分子材料在流变学中的行为与其形状和尺寸等参数密切相关。
例如,高分子材料在不同形状或尺寸下的加工性能和使用性能存在差异。
因此,高分子材料的流变学研究对于设计新材料、控制加工过程和改善使用性能具有重要意义。
目前,流变学技术在高分子材料的研究、开发和应用中得到了广泛的应用。
例如,在高分子材料的合成、加工、改性等方面,流变学技术能够提供有用的表征和信息。
在高分子材料的应用领域,流变学技术能够帮助改进产品性能和生产效率。
第五部分高分子溶液教学-精品.ppt

3.根据高分子化合物分子大小,得到相对分 子质量的分布情况,如电子显微镜法、凝胶 色谱法等。
第五章 高分子溶液
5.2 溶液中的高分子化合物
5.2.1 溶液中高分子的柔性与刚性
第五章 高分子溶液
在光散射法中利用Zimm图从而计算的
高分子摩尔质量称为Z均摩尔质量,它的定
义是:
Mz
(ωiMi)Mi
niM3 i
ωiMi
niM2
i
若样品是均匀的单聚物 MnM MwM z
如果是多聚物的同系物,则 MnMMwMz
分子大小越不均匀,这四种表示方法的差别 也就越大。
第五章 高分子溶液
5.1.2 高分子化合物的平均 相对分子量及其分布的测定
第五章 高分子溶液
5.1 高分子化合物的相对分子质量 5.2 溶液中的高分子化合物 5.3 高分子溶液的性质 5.4 高分子电解质溶液 5.5 高分子对胶体稳定性的影响 5.7 凝胶
第五章 高分子溶液
5.1 高分子化合物的相对分子质量
5.1.1 高分子化合物的平均相对分子质量 5.1.2 高分子化合物的平均相对分子 量及其分布的测定
扩散速度慢
不能通过半透膜
热力学稳定系统
热力学不稳定系统
稳定的原因主要是溶剂化
稳定的原因主要是分散质离子带 电
均相系统、丁达尔效应微弱
多相系统、丁达尔效应强
对电解质的稳定性大
加入少量电解质就会聚沉
粘度大
粘度小、与纯溶剂粘度相似
将溶剂蒸发,可得到干燥的沉淀物; 将溶剂蒸发,可得到干燥的沉淀
若再加入溶剂,可自动地溶解成溶 物;若再加入溶剂,不能复原成
高分子物理讲义-第五章-高聚物溶液性质及其应用

二、 Flory-Krigbaum稀溶液理论(略)
19
3.3 高分子溶液的 相平衡
一、渗透压
半透膜只允许溶剂通
过,不允许溶质通过,
达到渗透平衡,产生液
溶液
αΠ
柱高差,π。
纯溶剂的化学位高于 溶液中的化学位,溶剂 有渗透到溶液中的倾向。 最后达到热力学平衡。
•方法简单易得
——共混高聚物(或 多组分聚合物)
•材料却具有混合组分没有的综合性 能
•随着混合组分的改变,性能不同 28
Classification
聚合物共混物
Polymer blend
嵌段共聚物
Block polymer
接枝共聚物
Graft polymer
PVC+CPE, PP+SBS, e.g. PP+EPPM etc.
6
设溶度参数
δ= ε1/2
则,
△HM=φ1 φ2[δ1 - δ2 ]2 VM
△HM>0,要△G< 0, 则δ1 - δ2≈0
Hildebrand J.H.等人在1950 年提出溶解度參數理 論。
1.Joel H. Hildebrand. A Critique of the Theory
of Solubility of Non-lectrolytes. Chem.
溶剂 半透膜
20
高分子溶液渗透压与分子量M和浓度c的关系: π/c=RT(1/M+A2c)
A2——第二维利系数,表征高分子链段与溶剂分子的相互作用
A2 > 0,χ1 <1/2 在良溶剂中,链段相斥,线团松懈 A2=0, χ1 =1/2 在不良溶剂中,链段相吸,线团紧缩,无远程相互作用, 符合理想溶液行为,此时温度为θ温度。 A2 <0, χ1 >1/2 在不良溶剂中,高分子沉淀
高分子流变学

一、名词解释1. 本构方程:又称状态方程,描述应力分量与形变分量或形变速率分量之间关系的方程,是描述一大类材料所遵循的与材料结构属性相关的力学响应规律的方程. 反映流变过程中材料本身的结构特性。
2. 等粘度原则:两相高分子熔体或溶液粘度相近,易混合均匀。
3. 近似润滑假定:把原来物料在x—y平面的二维流动,在一段流道内简化成为只沿x方向的一维流动,这种简化假定称为~。
4. 剪切变稀:相同温度下,高分子液体,在流动过程中粘度随剪切速率增大而降低的现象。
5. 表观剪切黏度:表观粘度η a定义流动曲线上某一点τ与γ的比值6. Banis效应:又称口型膨胀效应或挤出胀大现象,是指高分子熔体被迫挤出口模时,挤出物尺寸d大于口模尺寸D,截面形状也发生变化的现象。
7. 粘流活化能:E定义为分子链流动时用于克服分子间位垒跃迁到临近空穴所需要的最小能量,它表征粘度对温度的依赖性,E越大,粘度对温度的依赖性越强,温度升高,其粘度下降得越多。
8. 法向应力差:两个法向应力分量差值在各种分解中始终保持不变,定义法向应力差函数来描写材料弹性形变行为。
9. 零切黏度:剪切速率接近于0时,非牛顿流体对应的粘度值。
10. 表观粘度:流动曲线上某点与原点连线的斜率11. 弯流误差:高分子液体流经一个弯形流道时,液体对流道内侧壁和外侧壁的压力,会因法向应力差效应而产生差异。
12. 拉伸粘度:聚合物在拉伸过程中拉伸方向的总的法向应力与拉伸速率的比值。
13. 第二牛顿区;假塑性流体在当前剪切速率很高时,剪切粘度会趋于一个定值,而这一剪切区域称为假塑性流体的第二牛顿区。
14. 触变性:等温条件下,某些液体流动粘度随外力作用时间长短发生变化的性质,其中粘度变小为触变性。
15. Tf:黏流温度,高分子高弹态与粘流态之间转变的温度,大分子链产生重心位移的整链相对运动。
16. Tg:玻璃化温度,分子链段运动,解除冻结的温度,形变可以恢复。
17. 爬杆现象、weissenberg效应、包轴现象:高分子液体在用圆棒搅动时环绕在旋转木棒附近并沿棒向上爬的现象。
高分子流变学基本概念课件

高分子流变学在塑料、橡胶、涂料等工业生产中具有重要的应用价 值,可以提高产品质量和降低能耗。
生物医学
高分子流变学在生物医学领域的应用逐渐增多,如药物载体、组织 工程等,有助于推动医学研究和治疗技术的发展。
新能源领域
高分子流变学在太阳能、风能等新能源领域具有潜在的应用价值,有 助于提高能源利用效率和降低环境污染。
高分子流变学基本 概念课件
目 录
• 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 • 总结与展望
01
高分子流变学简介
高分子流变学的定义
01
高分子流变学是一门研究高分子 材料流动和变形的学科,主要关 注高分子材料在应力、温度、时 间等作用下的形变和流动行为。
绿色环保
发展环境友好型的高分子流变学材料和制备技术,降低对环境的 负面影响。
高分子流变学的挑战与机遇
挑战
高分子流变学研究面临实验难度 大、理论模型不完善等挑战,需 要加强基础研究和实验验证。
机遇
随着科技的不断进步和应用需求 的增加,高分子流变学将迎来更 多的发展机遇和空间。
高分子流变学的应用前景
02
它涉及到高分子物理、化学、力 学等多个领域,是高分子科学的 一个重要分支。
高分子流变学的研究内容
01
高分子流体的基本流变性质
研究高分子流体的剪切粘度、拉伸粘度、弹性等基本流变性质,以及这
些性质与高分子链结构、分子量、温度等因素的关系。
02 03
高分子加工成型过程中的流变行为
研究高分子材料在加工成型过程中的流变行为,如塑料挤出、注射成型、 压延等过程中的流动和变形,以及这些过程对高分子材料结构和性能的 影响。
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算有显著影响。例如n值为0.33时,若不进行非牛顿性修正,粘度值将高估50%。
Linear Viscoelasticity
Linear viscoelasticity (Boltzmann叠加原理) (Boltzmann Superpositional Principle)
T G(t t ') (t ')dt '
G' (b J [Pa]
)
)
The Non-Linearity Monitor
5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5
0
TIME [seconds]
FUNDAMENTAL THIRD HARMONIC RESULTANT
6.28
sin 6.28 0.5 sin 18.84 sin 6.28 + 0.5 sin 18.84
• Rheology - a Bridge between Micro-Macro.
Event
Time Scale
Fast Slow
Monitoring Linearity of Samples
105 102
10
1
10
4
10
0
10 HDPE Filled Polymer
-1
103 0 10
Material Functions in Steady Shear Flow
Function Symbol & Definition SI Unit C.G.S.Unit
Shear Strain Shear Stress Shear Rate Viscosity First Normal Stress Function Second Normal Stress Function First Normal Stress Coefficient Second Normal Stress Coefficient Zero Shear Viscosity
R 2 R 0
令
w
R
r dr
2 0
R
r 2 dv z
0
R
r
dr
w
R
w
d
其中
w为靠壁应力。代入上式:
R3 2 V 3 ( )d w 0
令牛顿流体靠壁剪切速率
4V 4 3 3 R w
按Leibnitz规则:
Deformation History
Transient Dynamic Steady
Shear
Stretch Bi-Axial
Deformation Form
30 Material functions describe the complex fluids from different sides
Stress
G
Stress Modulus shear strain
Viscosity shear rate
Complex Fluid
Soft matter
(viscoelastic, partial memory, non-linear, complexity, softness)
拉伸形变 Tensile Deformation
A: Area = W * t
1
x
F: Force V: Velocity
z
3
Stress: T12 = = F/A Strain: F12= = x/y = x/H Strain Rate: 2D12= d/dt = V/H
.
L
F: Force V: Velocity Stress: T11= = F/A Strain: F11 = = L/L Strain Rate: D11 = d/dt
因此是测粘流。可写出:
Tzz T Tzr 0
不可压缩流体的运动方程为:
Tzr Trr 0
0 0 T
( ( ) ) g P T t
在柱坐标中分解,略去零项,则有:
P 1 z分量: (rTzr ) z r r T P 1 (rTrr ) r分量: r r r r 1 P 0 分量: r
另一种推导方法: to consider the force balance on the cylinder 2
r P 2 rL
2
r P P r 2 rL 2L
以下求切速率。
总流量
V
2 rv z ( r ) dr v z r
2 0
R
0
2 rv z ( r ) dr
• In the non-linear regime, a material’s response is no longer sinusoidal. • 三阶谐频振幅与基频的 比例 The Non-linearity Monitor is a normalized ratio of the third harmonic to the fundamental.
,,
管流一维流动速度分布:
v1 vZ (r )
0
v2 vr 0
vZ 0 z
v3 v 0
对不可压缩流体,连续性方程为: ,则有
写出应变率张量
0 1 v D Z 2 r 0
vZ r 0 0
0 0 0
t
T (t t' ) (t' )dt'
t
Dynamic Oscillation
G’= Go cosδ, G”= Go sinδ G*= G’ + i G” Stress relaxation Creep
动态频率扫描是最常用的流变测量之一
Polypropylene at 180°C
RHEOLOGY
Mechanics
连续介质力学 Continuum mechanics( stress, strain, strain rate) Constitutive equation Measurement
Rheometry
物料函数 Material function
Structural
minimicronanomolecular
r
ConePlate
平行板
r
Parallel Plate
圆管
z
z
r
Pipe
狭缝流
R
Slit
Z
Y
X
Deformation Forms
Monoaxial
extension (elongation)
Planar
Uni-axial
Bi-axial
Non-uniaxial
Shear
Deformation History
sp
C
)C 0
0
Rate Dependence (Steady Testing)
Material Functions in Steady Shear Flow (PDMS in silicone oil)
N1 - 第一法向应力差
Viscosity Function of Non-Newtonian Fluids
w
0
2 ( ) d ( w ) N
B ( x ) I d B( x) B A I ( x , y ) dy dy I ( x , B ) I ( x , A) A ( x ) x dx A ( x ) x x
(3.17)式对
w 微分得到:
Non-Newtonian fluid mechanics Mechanics
Engineering
Physics & Chemistry material sci. & technology
简单流动
Three Major Directions
y
2
x
剪切形变 Shear Deformation
A: Area
Same Viscosity here,but Different Curves!
Shear Rate
要导出流变量的测量公式,也就是将应力、切变速率用直接测定的边界量表示 出来是一个流体力学边值问题。这就要就设定的边界条件和初始条件求解连续性 方程和运动方程的联立偏微分方程组。我们在此仅举一例说明这一方法,读者可 举一反三推导其他公式或查阅文献。 例 一般非牛顿流体在毛细管流中相应特性的推导。
则靠壁处切速率为:
4V 3n 1 w ( ) 3 4n R
3n 1 )( w ) N ( 4n
注意上表达式中未对
w w ( )
作具体假定,因此它是对一般非牛顿流体的切速率的表达式,它等于牛顿流体值
( w ) N 乘一个因子。这一非牛顿性修正也称Rabinowitz修正。n值对粘度的计
1 N 1
2
2 N2
0 ( )
s
2
dyn·s2cm -2
P P
0
Specific Viscosity Specific Increment Intrinsic Viscosity
r
s
-
-
η sp =η r-1
-
m 3kg-1
- -
(
105 104
Commanded Strain or Stress