流变学的 应用
流变学及其应用
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
Newton、Einstein与流变学Rheology
流变学使生活更有趣
在我们日常的生活中，通常用“软、硬、刚性、柔性、 弹性、稠、薄、灵活性… …”来描述事物。流变学就 是研究“软与硬”的科学。 流变学应用领域：化妆品、洗涤用品、牙膏、食品、陶 瓷浆料、轮胎… … 日常生活中不自觉地用到一些“流变”实验－手感。
化妆品相关 从瓶中倒出(Pouring from a bottle) 挤牙膏(Extrusion of toothpaste from a tube) 擦护手霜(application of hand lotions/creams) 涂口红，指甲油(Applying lipstick, nail polish) 10e4 喷雾(Spraying aerosols) 粘合 (Tack) 键合(Press Bonding) 脱粘(Peeling) 自动脱粘(Auto-debonding) 粘合过程
F:施力
常用材料(一般材料)的行为描述
t应力 : F/A g粘弹性体 - 部分回復˙部份变形 应变 : Dx/H Dx:移动距离 ˙ F:施力 A:施力面積 g应变率 : dg/dt = V/H H:高度 G模量 H粘度 : t/g － 部分回复 : t/˙g － 部分变形
如何描述其行為...
tand
低 高
温度 频率
高 低
时间和温度的影响可互换
Steady Log G’, G” Log G(t) G(t)
Dynamic Log G’, G” G’ G”
Temperature
Dynamic G’
流变学在化工工艺中的应用分析
流变学在化工工艺中的应用分析流变学是研究物质在应力作用下变形和流动规律的科学。
在化工工艺中，流变学的应用非常广泛。
本文将从流变学的基本概念和原理开始，分析流变学在化工工艺中的应用，包括污泥处理、涂料涂层、塑料加工等方面。
首先，流变学在污泥处理中的应用十分重要。
污泥是生活污水和工业废水处理过程中产生的一种含有水分的浓稠物质。
由于污泥中含有许多固体颗粒，因此对于污泥的流动性和黏稠度的了解是非常重要的。
通过流变学的测量和分析，我们可以确定污泥的黏度、剪切应力和剪切速率之间的关系。
这可以帮助工程师们选择适当的污泥挤压设备、搅拌设备和输送设备，以保证污泥的稳定处理和高效率运输。
其次，流变学在涂料涂层工艺中的应用也非常广泛。
涂料是一种常用的表面保护材料，广泛应用于建筑、汽车、航空等各个领域。
在涂料的制备和施工过程中，了解涂料的流变性能对于保证涂装质量和施工效率至关重要。
通过流变学的研究，可以测定涂料的粘度、流动性和过渡温度等参数，并且确定涂料的流变类型（如牛顿流体、剪切稀化流体等）。
这些参数的掌握可以帮助工程师们优化涂料的配方和调整施工工艺，使得涂料在施工过程中具有适当的流动性和涂层厚度，从而获得高质量的涂装效果。
此外，流变学在塑料加工中也起着重要的作用。
塑料是一种流变性能非常复杂的材料，在加工过程中经历了熔融、塑化、流动、冷却等多个阶段。
流变学可以帮助工程师们了解塑料的熔融流动性、热稳定性和流动性等特性。
通过对塑料的流变性能的研究，可以优化塑料加工工艺流程，选择适当的模具和机器设备，并且有效地预测塑料制品的变形和缺陷。
此外，流变学还广泛应用于化工反应器的设计和优化。
在化学反应过程中，了解反应物料在反应器中的流动规律和变形规律非常重要。
通过流变学的研究，可以测定反应物料的粘度、黏度和剪切应力等参数，并根据这些参数优化反应器的结构和操作条件，提高反应效率和产物质量。
总结起来，流变学在化工工艺中的应用非常广泛，并且对于保证工艺的高效性、质量和安全性至关重要。
化妆品中的流变学 Estee Lauder, Nov 17, 2008
干酪、巧克力浆、肥皂、 纸浆、泥浆、绝大部分的 油墨, 油漆,某些化妆品都是 塑性流动的典型流体。
非牛顿流体-胀性 (non-Newtonian - Dilatant fluid )
胀性流体表现为粘度随剪切率升高而增大
Performance of the Dilatant fluid material which exhibits an increase in viscosity as shear rate increases
化妆品中的流变学
Rheology in Cosmetics
LIN GANG Estée Lauder Companies Innovation Institute (China)
一、流变学介绍 定义I Rheology introduction I
牛顿将粘度定义为所加应力与流动梯度的比例。
Moveable Plate
c
a c
c. 胀性流体, n>1； d. 塑性流体
μ为表观粘度， 非牛顿流体的μ 与速度梯度有关
du/dy
0 ( )
du n dy
n=1, г0=0牛顿流体
n1，非牛顿流体
一、流变学介绍 定义III Rheology introduction II
牛顿型流体(Newtonian fluid)
Yield Strain Strain
一、流变学介绍 定义III Rheology introduction II
牛顿流体
粘性流体 无屈服应力 有屈服应力 触变性流体 与时间有关 粘弹性流体 d. a. 牛顿流体，n=1；
流/震凝性(负触变性)流体
与时间无关
非牛顿流体
τ τ0
流变学应用
周持兴，现任上海交通大
学高分子科学与工程系教授、 博士生导师、聚合物加工研究 室负责人、上海交通大学流变 学研究所所长，兼任中国力学 会中国化学会流变学专业委员 会委员、中国机械工程学会材
流变学简介
• 流变学是介于力学、化学和工程学之间的 交叉、边缘学科,其应用范围十分广泛,随着 工业的发展和技术的进步又促进了这一新 科学的综合发展,而进一步形成各个边缘科 学的流变学,如聚合物流变学就是流变学在 聚合物加工中的应用而发展起来的。聚合 物流变 学是适应高分子材料的发展而逐渐 形成的,在聚合物的合成阶段,流变学与化学 结合在一起;而后续的所有阶段中,则与聚合 物加工与应用相结合。
谢谢
剂、配方设计以及设备结构提出恰当的要
流变学在注塑成型加工中的应用
• 流变学在注塑成型加工中的应用发展成为 注塑流 变学,它是聚合物熔体流变学和塑料 加工流变学的重要组成部份。具体来讲,它 在注塑成型加工中的应用主要有以下几种 形式。
注射喷嘴中的熔体流动分析
• 喷嘴是注塑机的料筒和注塑模的浇注系统 的连接件。聚合物熔体在喷嘴中的流动行 为对整个注塑过程有相当大的影响。这种 影响主要是考虑温度对聚合物熔体粘度的 影响,这主要是粘性发热的确定问题。这是 由于粘度对温度有很大的依赖性,而聚合物 熔体在喷嘴中的流动常常会产生相当大的 粘性热,为了分析熔体的流动行为,必须考虑 粘性发热。利用流变学的绝热流动模型可 以解决这个问题。
发现，使用古典弹性理论、塑性理论和牛 顿 流体理论已经不能说明这些材料的复杂 性 ，因为 这些材料都具有时间效应，于是 就产生了流变学 的思想。此后，流变学逐
我国流变学的发展历史
• 我国流变学研究起步很晚，在2 0 世纪6 0 年 代 才开始有自发研究者。随着我国材料科 学和工程 技术的不断发展，经常会遇到形 形色色的非牛顿 流体，从而促使了对它的 研究。1 9 7 8 年在北京制 定全国力学规划 时指出，流变学是必须重视和加 强的薄弱 领域。之后，在各地纷纷成立流变学的 专 门研究机构。随着国内流变学研究的广泛 开 展，在1 9 8 5 年成立了我国流变学专业 委员会。同时，我国在国际同行领域的影 响也越来越大，于 1 9 8 8 年成为国际流变
聚合物流变学研究意义
聚合物流变学研究意义聚合物流变学是研究聚合物在外力作用下的流变特性的学科。
聚合物是一类大分子化合物，具有高分子量、高分子链的柔韧性和长期的耐久性等特点。
聚合物在外力作用下会产生不同的变形和流动行为，而聚合物流变学正是研究这些变形和流动行为的学科。
聚合物流变学的研究意义主要体现在以下几个方面：1. 工程应用：聚合物流变学的研究可以为聚合物工程应用提供重要的理论基础。
比如，聚合物在塑料加工中的流动行为和变形特性对于塑料工程的设计和制造至关重要。
另外，在航空、汽车、电子等领域，聚合物的流变特性也对产品的性能和可靠性有着重要的影响。
2. 医学应用：聚合物在生物医学领域中有着广泛的应用，比如注射用聚合物、生物材料、组织工程等。
聚合物流变学的研究可以为这些应用提供重要的理论支持和技术指导。
3. 环境保护：聚合物在环境领域中也有着重要的应用，比如塑料袋、塑料瓶等。
聚合物流变学的研究可以为这些应用提供技术支持，使其更加环保和可持续。
聚合物流变学的研究主要涉及到以下几个方面：1. 本构关系：聚合物的流变特性与其分子结构有关，通过研究聚合物的分子结构和流变行为，可以建立聚合物的本构模型，从而预测其力学性能。
2. 流变行为：聚合物的流变行为包括弹性、塑性、粘弹性等，通过研究聚合物的流变行为，可以了解其在复杂工况下的行为规律，从而为工程应用提供理论指导。
3. 流变测试：聚合物的流变测试是研究聚合物流变行为的重要手段，包括剪切测试、拉伸测试、压缩测试等。
通过流变测试，可以获得聚合物的粘度、弹性模量、屈服点等流变参数，为聚合物工程应用提供重要的数据支持。
聚合物流变学的研究对于聚合物工程应用、生物医学、环境保护等领域都具有重要的意义。
在未来，随着聚合物材料的广泛应用，聚合物流变学的研究也将变得越来越重要。
流变学在科学研究中的应用
流变学在科学研究中的应用流变学是一门研究物质在受力下流动和变形规律的学科，它可以用来研究各种物质的流动性质和变形行为。
流变学的应用非常广泛，在工程领域、医学领域、食品加工和制造业等多个领域都有重要的应用。
本文将围绕流变学在科学研究中的应用展开讨论。
一、生物领域在生物领域中，流变学被广泛应用于生物材料的研究和诊断。
例如，血液的流变学研究可以用于诊断心血管疾病、贫血等疾病。
此外，流变学还可以用于研究生物材料的黏弹性质、细胞的变形行为和中药的流变学性质等。
二、食品领域在食品领域中，流变学是非常重要的一门学科。
食品制造和加工过程中，往往需要对材料的流变性质进行研究和控制，以调节产品的质量和口感。
例如，流变学可以用于研究奶制品、面包和巧克力等材料的流变规律和变形行为。
三、材料领域流变学在材料领域中也有着重要的应用。
材料的流动和变形特性是材料工程设计和制造的重要参数，因此，材料的流变学研究对产品开发和制造非常重要。
例如，流变学可以用来研究高分子材料、金属材料和陶瓷材料的流变性质。
四、环境领域流变学在环境领域中也有着应用价值。
例如，在土壤科学和环境科学领域中，研究材料的流动和变形特性对于实现地下水资源的保护和管理非常重要。
在石油勘探和采掘领域中，流变学也是一个重要的研究方向。
五、其他领域除了以上领域，流变学还可以应用于纳米科技、医学影像学和涂料工程等多个领域。
在纳米科技中，流变学可以用来研究纳米材料的流变规律；在医学影像学中，流变学可以用来对人体器官的流体力学行为进行研究；在涂料工程领域中，流变学可以用来控制涂料的流动性质和涂布特性等。
结论总之，流变学在科学研究中有着广泛的应用，其中包括生物领域、食品领域、材料领域、环境领域、纳米科技、医学影像学和涂料工程等多个领域。
随着科学技术的不断进步和发展，流变学的应用范围还将不断扩大和深入。
生物流变学基础及其应用
生物流变学基础及其应用生物流变学是指研究生物体内生物物质（如血液、细胞、组织）在流体力学作用下的变形、变异、变流等物理化学现象及其相关生理、病理、生物化学、分子生物学机制的科学，它是生物医学工程的前沿领域之一。
生物流变学的基础知识包括血液流变学、生物材料流变学和组织流变学等方面的知识。
血液流变学主要研究与血液流动有关的物理、化学和生物学特性，包括血流动力学、血液黏稠度、血流阻力、血细胞变形性、红细胞沉降率等。
生物材料流变学主要研究人工材料在人体内的应用，包括生物材料的性能和生物相容性等问题。
组织流变学主要研究生物组织的流变学特性，包括软组织的变形、刚性组织的变形等。
生物流变学在多个方面有着广泛的应用，下面分别就其在医疗领域、食品工业、环境科学等方面的应用作简要介绍。
1. 医疗领域：生物流变学在医疗领域中应用最为广泛。
例如，对于心血管疾病的诊断和治疗中，心肌和血管组织的流变性质起着关键的作用。
此外，血液流变学研究也被广泛应用于血液疾病和感染疾病的治疗中。
在肿瘤学领域中，生物流变学还可以帮助发现癌症细胞与普通细胞的差异，并通过监测肿瘤细胞的流变学特性来指导肿瘤治疗方案。
2. 食品工业：生物流变学作为一种分析方法，在食品工业中也有着重要的应用。
例如，它可以对食品的成分和结构进行分析，从而改善食品的品质和口感。
此外，生物流变学可以用于酿造、烘焙和制作奶制品等工艺的优化，帮助食品生产企业提高生产效率和产品质量。
3. 环境科学：生物流变学在环境科学中主要应用于测量和预测土壤、水体和大气污染情况。
在土壤领域中，它可以帮助确定土壤的物理、化学和生物性质，包括土壤含水量、肥力、微生物数量等。
在水体领域中，生物流变学可以用于测量水体的流变特性、水体中的悬浮颗粒浓度等，以研究水质污染问题。
在大气领域中，生物流变学可以帮助检测颗粒物在大气中的输送和沉降过程，以及对空气质量的影响。
总之，生物流变学在涵盖医学、食品、环境科学等多个领域中都有着广泛的应用前景。
流体的流变学和流变性
流体的流变学和流变性流体的流变学是研究流体在外力作用下变形和流动行为的科学。
流变性描述了流体在受力时的响应特性，其对于工程学、材料科学、地质学和生物学等领域具有重要意义。
本文将介绍流体的流变学基础知识、流变性的分类与特征，以及流变学在不同领域的应用。
一、流体的流变学基础知识流体的流变学基础知识包括黏度、剪切应力、剪切速率等概念。
黏度是衡量流体内部黏滞阻力大小的物理量，它描述了流体的黏稠程度。
通常用希氏粘度（Pa·s）或毫希氏粘度（mPa·s）来表示。
剪切应力是指单位面积上的切应力，即流体在受力作用下沿垂直于受力方向发生的变形力。
用帕斯卡（Pa）来表示。
剪切速率是指流体内各层之间相对运动的速率，它是剪切应力引起的流体变形速率。
通常用秒的倒数（s-1）来表示。
二、流变性的分类与特征根据流体的流变性质，流体可以分为牛顿流体和非牛顿流体。
牛顿流体是指其黏度对剪切应力的变化不敏感，黏度保持不变。
一般来说，水、气体等低粘度液体都是牛顿流体。
非牛顿流体则是指其黏度随剪切应力的变化而变化。
非牛顿流体的流变性质较为复杂，主要分为塑性流体、剪切稀化流体和剪切增稠流体等。
塑性流体是指在一定的剪切应力下才会发生塑性变形的流体，如面膜、牙膏等。
剪切稀化流体是指其黏度随剪切应力的增加而减小的流体，如可可粉、淀粉水等。
剪切增稠流体则是指其黏度随剪切应力的增加而增大的流体，如颜料、油漆等。
非牛顿流体常常表现出流变学特征，如屈服应力、流变模量、渗透率等。
这些特征能够帮助我们理解流体在不同应力下的行为，并且对于流体的使用和加工具有重要的指导作用。
三、流变学在不同领域的应用1. 工程学领域：流变学在工程学中的应用十分广泛。
例如，在涂料工业中，对涂料黏度和流动性的研究可以优化工艺流程和涂料性能。
再如在食品工业中，流变学可以帮助研究食品的质地、流动性和纹理，为新产品的开发提供指导。
2. 材料科学领域：流变学对材料的研究和评价也具有重要意义。
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流变学在注塑成型加工中的应用
• 流变学在注塑成型加工中的应用发展成为 注塑流 变学,它是聚合物熔体流变学和塑料 加工流变学的重要组成部份。具体来讲,它 在注塑成型加工中的应用主要有以下几种 形式。
注射喷嘴中的熔体流动分析
• 喷嘴是注塑机的料筒和注塑模的浇注系统 的连接件。聚合物熔体在喷嘴中的流动行 为对整个注塑过程有相当大的影响。这种 影响主要是考虑温度对聚合物熔体粘度的 影响,这主要是粘性发热的确定问题。这是 由于粘度对温度有很大的依赖性,而聚合物 熔体在喷嘴中的流动常常会产生相当大的 粘性热,为了分析熔体的流动行为,必须考虑 粘性发热。利用流变学的绝热流动模型可 以解决这个问题。
我国流变学的发展历史
• 我国流变学研究起步很晚，在2 0 世纪6 0 年代 才开 始有自发研究者。随着我国材料科学和工程 技术的 不断发展，经常会遇到形形色色的非牛顿 流体，从 而促使了对它的研究。1 9 7 8 年在北京制 定全国力 学规划时指出，流变学是必须重视和加 强的薄弱领 域。之后，在各地纷纷成立流变学的 专门研究机构。 随着国内流变学研究的广泛开 展，在1 9 8 5 年成立 了我国流变学专业委员会。同时，我国在国际同行 领域的影响也越来越大，于 1 9 8 8 年成为国际流变 学会成员国之一。流变学从 一开始就是作为一门实 验基础学科发展起来的， 随着实验原理、测试技术 和测试设备的发展以及电子计算机的应用 ，推动着 流变学的研究正朝着更加广泛、更加深入和更加快 速的方向发展。
注射喷嘴
注塑模浇注系统的设计
• 浇注系统不仅是用于连接注塑机和注塑模 实现充模,而且对制品的质量(如尺寸稳定、 内应力、缩孔、凹陷及力学强度等)有重大 的影响。因此根据塑料熔体的流变行为,选 择浇口位置与数量,确定最佳浇注系统尺寸 显得很有意义
注塑模浇注系统
注塑模流动分析
• 充模决定成型速率和制品性能,是注塑过程中 最重要的阶段。而塑料熔体在型腔中的运动极 其复杂,为了缩短生产周期,降低成本,提高制品 质量,近年来,将流变学基本方程应用于注塑成 型的流动过程,通过适当简化,从而实现计算机 充模流动模拟,为模具设计与注塑工艺优化提 供定量依据。这主要是利用流变学的基本方程 (连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程、 流变本构方程)进行熔体流动分析,然后建立数 学模型,最后实现数值分析。
பைடு நூலகம்
拉伸流变的无螺杆朔化技术
• 根据流变学可以进行注射喷嘴中的熔体流动 分析,解决粘性发热的问题。 • 应用流变学可以进行浇注系统的设计,可使熔 体在浇道中的运动接近等温流动,可以避免经 验设计的不足。 • 根据流变学的基本原理,结合恰当的数值方法, 可以实现充模流动分析。 • 从流变学的角度可以实现注塑制品内应力分析, 找出影响制品内应力的各种因素及其内在联系。
流体流变学研究的现状分析
• 流体流变学包括非牛顿流体力学、血液流 变 学、各种高聚物熔体和溶液、石油流变 学、食品 流变学和化工流变学等。经过半 个多世纪的研究 和应用，这些领域在不断 发展完善，促进了相关 行业的发展，同时 在发展过程中还有许多复杂课 题有待解决。
注塑制品内应力分析
• 注塑成型的制品或大或小都存在一定的非均匀 分 布的内应力,影响制品的正常使用。 • 应力的存在常使制品在使用与贮存的过程中发 生翘曲、扭曲变形或者开裂,因此弄清注射制 品产生内应力的原因,找出影响制品内应力的 各种因素及其内在联系,采取有效对策予以避 免或将其控制在最小范围内,对注塑制品的成 型加工与使用具有重要的实际意义。从高聚物 流变学的角度,深入分析引起注射制品内应力 的各种因素及其内在联系,可解决这个问题。
周持兴，现任上海交通大学高分子科学与工程系教授、博士生 导师、聚合物加工研究室负责人、上海交通大学流变学研究所所长， 兼任中国力学会中国化学会流变学专业委员会委员、中国机械工程 学会材料分会高分子专业委员会委员、中国资源综合利用协会木塑 复合材料专家委员会委员、“功能高分子学报”编委等职。
流变学简介
• 在高分子材料中,塑料约占70%,而塑料加工方 法却有30多种,但大多数的加工方法都以熔体 加工为基础。即先将固态塑料加热、熔化、混 合、输送、赋形,再经固化得到所需的制品。 材料所经受的加热和变形历程将影响塑料微观 结构,因而影响制品的最终性能。可见,塑料的 流变特性在塑料加工中起着决定性的作用,如 果不弄清塑料熔体的流动和变形,就不容易对 所用聚合物和填加剂、配方设计以及设备结构 提出恰当的要求,因而不能迅速提高制品质量 和改进工艺。
流变学的应用
流变学的应用
流变学是研究材料在应力、应变、 温度、湿 度、辐射等条件下与时间 因素有关的变形和流动 规律的学科， 它的主要研究对象是非牛顿流体。
•
流变学是一门研究方法的科学，它是介于 物理、化学、力学、医学、生物和工程技术之 间的一门 边缘交叉学科。据不完全统计，由 它所衍生的分 支学科有2 0 多个。流变学出现 在2 0 世纪2 0年代，学者们在研究一些工业材 料、地质材料和生物材 料中发现，使用古典 弹性理论、塑性理论和牛顿 流体理论已经不 能说明这些材料的复杂性 ，因为 这些材料都 具有时间效应，于是就产生了流变学 的思想。 此后，流变学逐渐为世界各国所承认并 得到 发展。
• 流变学是介于力学、化学和工程学之间的 交叉、边缘学科,其应用范围十分广泛,随着 工业的发展和技术的进步又促进了这一新 科学的综合发展,而进一步形成各个边缘科 学的流变学,如聚合物流变学就是流变学在 聚合物加工中的应用而发展起来的。聚合 物流变 学是适应高分子材料的发展而逐渐 形成的,在聚合物的合成阶段,流变学与化学 结合在一起;而后续的所有阶段中,则与聚合 物加工与应用相结合。