流变性能测定
流变测试原理
流变测试原理
流变测试是一种通过测量物质在力学条件下的流变性质来研究物质性能的方法。
其基本原理是，流变仪施加一定的剪切力或应力，测量物质产生的流变响应，从而表征物质的流变性质。
具体来说，流变测试的原理基于牛顿流体或非牛顿流体的力学原理。
牛顿流体的流动性质可以根据牛顿定律描述，即流体的粘度恒定，流体的切应力与切变速率呈线性关系。
而非牛顿流体的流动性质则更加复杂，例如受力后粘度可以发生改变，切变速率和应力不再呈线性关系。
因此，通过流变测试可以深入了解物质的流变性质，为各种科研和工业应用提供有效的手段。
例如，在润滑剂的研究中，通过流变测试可以研究润滑剂的豁温特性和流变特性，为轴承等机械部件的润滑和摩擦性能提供重要的依据。
以上内容仅供参考，建议查阅流变测试专业书籍或咨询专业人士获取更准确的信息。
流变仪法测定塑料的流变性能实验指导
实验二流变仪法测定塑料熔体的流变性能一、实验目的1.了解转矩流变仪的结构与测定聚合物流变性能的原理。
2.熟悉并掌握在转矩流变仪上测定剪切应力、剪切速率、粘度的方法。
二、实验原理毛细管流变仪是研究聚合物流变性能最常用的仪器之一，具有较宽广的剪切速率范围。
毛细管流变仪还具有多种功能，既可以测定聚合物熔体的剪切应力和剪切速率的关系，又可根据毛细管挤出物的直径和外观及在恒应力下通过改变毛细管的长径比来研究聚合物熔体的弹性和不稳定流动现象。
这些研究为选择聚合物及进行配方设计，预测聚合物加工行为，确定聚合物加工的最佳工艺条件（温度、压力和时间等），设计成型加工设备和模具提供基本数据。
聚合物的流变行为一般属于非牛顿流体，即聚合物熔体的剪切应力与剪切速率之间呈非线性关系。
用毛细管流变仪测试聚合物流变性能的基本原理是：在一个无限长的圆形毛细管中，聚合物熔体在管中的流动是一种不可压缩的粘性流体的稳定层流流动，毛细管两端分压力差为ΔP，由于流体具有粘性，它必然受到自管体与流动方向相反的作用力，根据粘滞阻力与推动力相平衡等流体力学原理进行推导，可得到毛细管管壁处的剪切应力τ和剪切速率γ&与压力、熔体流率的关系。
τ=RΔP/2L γ=4Q/πR3ηa =πR4ΔP/8QL式中R－毛细管半径，cm；L－毛细管长度，cm；ΔP－毛细管两端的压差，Pa；Q－熔体流率，cm3/s；ηa－熔体表观粘度，Pa·s。
在温度和毛细管长径比L/D一定的条件下，测定不同压力ΔP下聚合物熔体通过毛细管的流动速率Q，可计算出相应的τ和γ&，将对应的τ和γ在双对数坐标上绘制τ－γ流动曲线图，即可求得非牛顿指数n和熔体表观粘度ηa。
改变温度和毛细管长径比，可得到代表粘度对温度依赖性的粘流活化能Eη以及离模膨胀比B等表征流变特性的物理参数。
大多数聚合物熔体是属非牛顿流体，在管中流动时具有弹性效应、壁面滑移等特性，且毛细管的长度也是有限的，因此按以上推导测得的结果与毛细管的真实剪切应力和剪切速率有一定的偏差，必要时应进行非牛顿改正和入口改正。
流变性能测试.
in phase with strain
in phase with strain rate
0 sin t 0 cos sin t cost 0 0 0 G ' (elastic） G（ " viscous）
动态模量
G’ 为弹性模量，又称为储能模量，代表材 料的弹性； G” 为黏性模量，又称为损耗模量，代表材 料的黏性。 损耗模量对储能模量的比值称为损耗因子 或损耗角正切，即 tan G" / G '
小振幅振荡剪切记录的是动态（储能、损 耗）模量对温度、频率等的变化。
小振幅振荡剪切的各参量
旋转流变仪仪器结构
平行板夹具的主要缺点是夹具间流场不均 匀的，即剪切速率沿着径向方向线性变化。
旋转流变测试模式
旋转（流动）测试
稳态速率扫描—流动曲线获取
阶梯式地施加不同的剪切速率，记录达到稳态 时的剪切应力和黏度。
shear rate
time
旋转（流动）测试
速率斜坡（瞬态测试）—触变性测试
流变性能测试资料
in phase with strain
in phase with strain rate
t
0
0
cos 0
sint
0
sin
0
cost
G' (elastic）
G（" viscous）
动态模量
G’ 为弹性模量，又称为储能模量，代表材 料的弹性； G” 为黏性模量，又称为损耗模量，代表材 料的黏性。 损耗模量对储能模量的比值称为损耗因子 或损耗角正切，即
对材料施加一个正弦形变刺激
(t) 0 sint
其中式中 0 为振幅， 为频率
如果该振幅位于材料的线性黏弹区内，那 么响应的应力也是正弦的，可以写为
t 0 sint
小振幅振荡剪切的数学处理
t 0 sint
0 sintcos 0 costsin
0 cos sint 0sin cost
振荡（动态）测试
时间扫描
测试过程中固定温度、频率和线性黏弹区的应 变或应力的振幅，记录动态模量随时间的变化。 时间扫描主要用于交联（固化）、降解等过程 的表征，。
Time
Strain
蠕变与回复
蠕变与回复就是先对样品施加一段时间的 一阶跃应力然后撤去，记录应变（或柔量） 对时间的变化。
time
stress
平行板夹具的主要缺点是夹具间流场不均 匀的，即剪切速率沿着径向方向线性变化。
旋转流变测试模式
旋转（流动）测试
稳态速率扫描—流动曲线获取
阶梯式地施加不同的剪切速率，记录达到稳态 时的剪切应力和黏度。
time
shear rate
旋转（流动）测试
速率斜坡（瞬态测试）—触变性测试
流动性的测定方法
流动性的测定方法
流动性的测定方法有多种，常见的有以下几种：
1. 粘度测定法：粘度是流体流动阻力的一种度量，可以通过测定流体在特定温度下通过试验装置的流动速度来确定。
常见的粘度测定方法有旋转式粘度计、滴定式粘度计等。
2. 流变性测定法：流变性是指物质在受力作用下产生的变形性质，可以通过测定物质在不同剪切速率下的应力-应变关系来确定。
常见的流变性测定方法有转式流变仪、剪切模式流变仪等。
3. 渗透性测定法：渗透性是指流体在固体介质中的渗透能力，可以通过测定流体在一定压力下通过孔隙介质的速率来确定。
常见的渗透性测定方法有渗透试验、渗透流速试验等。
4. 流速测定法：流速是指流体单位时间通过某一截面的体积或质量，可以通过测定单位时间内通过某一截面的流体量来确定。
常见的流速测定方法有流量计、涡街流量计等。
5. 温度变化测定法：流体的温度变化也可以间接反映其流动性，通常可以通过测定流体在温度变化条件下的流动速度来确定。
需要根据具体的流体性质和测定要求选择适当的方法进行测定。
聚合物材料中的流变性能测试分析
聚合物材料中的流变性能测试分析在聚合物材料的开发、制造和应用过程中，流变性能测试是一个重要的环节，其能够有效地评估材料的变形行为、力学性能以及应用性能。
因此，了解聚合物材料中的流变性能及其测试分析方法，对于提高聚合物材料的应用性能、推动聚合物材料的研究和应用具有重要的意义。
一、聚合物材料的流变性能聚合物材料是指一类具有高分子结构的材料，其分子量通常高于10万，这种材料的性能是由其分子结构决定的。
在应用场合中，聚合物材料的性能会随着其形状、尺寸和应力状态的变化而发生变化。
因此，聚合物材料的流变性能对于其应用性能的评估和控制具有重要的作用。
聚合物材料的流变性能包括了黏弹性、塑性和蠕变等性质。
黏弹性是指聚合物材料在受到一定应力时的变形能力，即材料随时间的变形量。
塑性是指聚合物材料在受到应力时，随着应力的增加发生的可塑性变形。
蠕变是指聚合物材料在受到恒定应力时，材料随时间的收缩变形。
二、聚合物材料的流变性能测试聚合物材料的流变性能测试是利用流变仪对聚合物材料进行测试，主要包括剪切模量、黏性、塑性和流量指数等参数的测试。
其测试过程是将样品装入流变仪的测量室中，然后通过引入规定的变形应力，来测定聚合物材料在规定的应力范围和频率下的流变性能。
流变仪是一种专门用于测量材料流变性质的仪器。
其主要原理是利用试样在测量室中应变或位移的变化来计算材料在不同应力下的黏弹性、塑性、蠕变等性质。
流变仪可以通过调节控制板的参数，来控制样品的速度、应力、频率和温度等参数，从而实现对材料流变性质的测试和分析。
三、聚合物材料流变性能测试分析1.剪切模量测试分析剪切模量是衡量材料刚度和变形能力的重要参数。
聚合物材料的剪切模量随着应力的增加而增加，因此，其在应用过程中往往需要具有一定的刚度和力学性能。
流变仪可以通过调节控制板的参数，来测定样品在不同应力下的剪切模量。
2.黏性测试分析黏性是衡量材料流体性质的重要参数。
聚合物材料的黏性随着应力的增加而减小，因此其应用过程中不易出现黏滞和流动离散等情况。
涂料的流变性与测量
一、涂料的流变性与测量流变性能是涂料的一项重要性能。
流体按大类可以分为牛顿型和非牛顿型，非牛顿型流体又分为剪切速率依存型和时间依存型。
剪切速率依存型是指流体的流动行为随剪切速率的变化而变化，包括假塑型、胀流型和塑型。
时间依存型是指一定剪切速率下流体随时间而变化的流动特性，包括触变型和震凝型，实际中的涂料大多数是触变型流体。
在涂料的生产、贮存、施工和成膜过程中,所受到的力可以分为纯剪切、拉伸剪切和简单剪切等，其中主要是简单剪切，当涂料受到简单剪切做单向层流，层间有速度差，若剪切应力为τ，剪切速率为Ý，则粘度η＝τ/Ý，称为动力粘度，单位为Pa.s（泊），常用单位为mPa.s或者cP（厘泊）。
粘度是涂料流变学的一个重要指标，与剪切速率和剪切应力密切相关。
表1即是按照涂料受到简单剪切估计的一些施工方法以及流平流挂的剪切速率：表1 各种施工方法的剪切速率（S－1）施工方法喷涂刷涂/滚涂搅拌投料流平/流挂颜料沉降剪切速率>104 103－104 101－103 100－102 10－3－100 <10-3涂料主要有四部分组成：树脂、成膜物质、溶剂和填料。
这几种物质对涂料流变性的影响主要在低剪切速率方面，如颜料的絮凝，各种助剂的存在，所形成的结构使粘度变化很大；在高剪切速率下，结构被破坏，所呈现的粘度接近树脂溶液本身和分散颗粒对粘度的影响。
高低剪切速率下的粘度配合，使涂料有一个符合储存和施工所需的流变性能。
例如在涂料贮存中,希望体系有较高的粘度,防止颜料和填料的沉淀；在施工时开始要求体系粘度较低,有利于涂膜流平,但要求涂膜粘度在一定时间达到较高粘度,以免涂膜产生流挂和流淌现象；粉末涂料只有它的熔融体有足够低的粘度时才有足够的流平，另外粘度也对颜料在涂料中的分散有很大影响。
从以上分析也可以看出，涂料的流变性的以下几个方面的参数：屈服值、触变性、粘度恢复速度和施工剪切速率下的粘度对涂料的质量影响很大，所以这几个参数的测量在涂料的生产、研发和使用中备受重视。
8.流变性参数的测定
(103)
du lg i n lg dr i i 1 i 1 lg K N
N N
(104)
7 非牛顿流体流变性参数的测定
利用广义牛顿内摩擦定律，近似考虑非牛顿流体的切应 力。对于旋转流动而言，其柱坐标下的切应力为：
du u dr r 将圆周速度公式u = rω 代入上式，整理得： d (86) r dr 考虑表观粘度的定义式(1)，流速梯度(或称剪切速率)为： du d r (8于一定的粘度计而言，r1、r2和h为定值，故当测得Ω1、 Ω2和相应的M1、M2后，根据式(100)和式(101)即可计算出ηp 和τ0。
7 非牛顿流体流变性参数的测定
(5) 幂律流体流变性的测定
在旋转粘度计中，幂律流体的流变方程为 n d u K dr 两边取对数，得: du (102) lg n lg lg K dr 以 lg(du/dr) 为横坐标，以 lgτ 为纵坐标时，上式是一直
由于假定了整个间隙的切应力和流速梯度都是常数，表 观粘度的计算会有一定的误差，误差值可根据两个圆筒间隙 的大小进行估算。
7 非牛顿流体流变性参数的测定
(4) 塑性流体流变性的测定 考虑塑性流体的流变方程：
du 0 p dr 此时的流速梯度函数为 0 du f ( ) dr p
根据幂律流体结构流的Q与Δp关系 pR4 4 r0 Q 1 8L p 3 R 考虑到流核半径 2 L 0
r0 p
Q～Δp关系可写成
R 4 Q 8 L p
L 0 8 p 3 R
(81)
分别将Q1、Δp1及Q2、Δp2代入上式，并将两式相减后，得 R 4 Q 2 Q1 ( p 2 p 1 ) 8 L p
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仪器 落球粘度计 转子型
表6.1 各种流变测定仪器切变速率范 围和粘度范围 s-1
切变速率范围 极低＜＜10-2 同轴圆筒10-3~ 102 平行板10-3~ 102 锥板式10-3~ 102 门尼粘度计1.57 硫化仪,很低 ~ 102 10-1~ 106 粘度范围Pa.s 10-3~ 103 10-1~ 1011 103~ 108 102~ 1011 ~ 105
6.1.2 流变测量仪器分类： 毛细管流变仪: 根据测量原理不同可分为恒速型 和恒压型两种。 转子型流变仪: 根据转子几何构造不同又分为锥 板型、平行板型、同轴圆筒型等。橡胶工业常用 的门尼粘度计为一种改造的转子型流变仪。 转矩流变仪: 带有一种小型密炼器和小型螺杆挤 出机及口模，优点在于测量过程与实际加工过程 相似，测量结果更具工程意义，常见有 Brabender公司和Haake公司生产的塑性计。 振荡型流变仪: 用于测量小振幅下的动态力学性 能，结构同转子型流变仪，只是转子作小振幅的 正弦振荡。
按物料的形变历史，即按运动的时间依赖性分， 有： 稳态流变实验，实验中材料内部的应力、温度、 剪切速率为常数，不随时间变化。 动态流变实验，实验中材料内部的应力，应变 场发生交替变化，一般要求振幅要小，变化以正 弦规律进行。 瞬态流变实验，实验时材料内部的应力，应变 发生阶跃变化，即相当于一个突然的起始流动或 终止流动。 根据物料的流动形式分：有剪切流动，拉伸流动 下面将分别介绍各种测量仪器，根据所用切变速 率与粘度选择适合的流变仪。
1、基本构造 核心部分是一套毛细管，具有不同的长径比 （通常L/D=10/1，20/1，30/1，40/1等），料筒 周围是恒温加热套,内有电热丝。料筒内物料的上 部为液压驱动的活塞，物料经加热变为熔体后， 在柱塞压作用下，强迫从毛细管挤出，由此测量 物料的粘弹性。 除此外，仪器还配有调速机构、测力结构、控 制机构、自动记录和数据处理系统等。 根据测量原理的不同，毛细管流变仪分为恒速 型和恒压型两类，恒速型仪器预置柱塞下压速度 为恒定，待测定的量为毛细管两端压差，恒压型 仪器预置柱塞前进压力为恒定，待测量为物料的 挤出速度即流量。
τ在中心层为0，在管壁处R处最大，在管 壁上的切应力： τw= △pR/2L 可见，只要毛细管内的压力梯度确定，管 内任一点的剪切应力也随之确定，这样， 一个测剪切应力的的问题即为测压力梯度 的问题，即只要测出毛细管两端的压力差 除以毛细管长度即可。 这样计算剪切应力的方式，对任何一种流 体，无论是牛顿流体还是非牛顿流体均成 立，计算过程不涉及流体的类型。
其中恒速型较为方便，物料从直径宽大 的料筒，经挤压通过一定入口角的入口区 进入毛细管，然后从出口挤出，其流动状 况发生巨大变化。入口附近有明显的流线 收敛行为，它将影响物料刚刚进入毛细管 区的流动，使得流入毛细管一段距离后， 才能发展成稳定的流线平行的层流。在出 口附近，因为管壁约束突然消失，弹性流 体表现出挤出胀大，流线又发生变化，因 此物料在整个毛细管中的流力可分为三个 区：入口区，完全发展流动区，出口区。 下面分别讨论。
振荡型 转矩型 毛细管
10-1~ 107
6.2 毛细管流变仪
可直接测得聚合物剪切粘度，剪切速率适用范 围宽，在注射成型，聚合物所受剪切速率很高， 有时高达103~104s-1，只有用毛细管流变仪才能测 这样高剪切下的粘度。 是目前发展最成熟、最典型，因而应用最广的 流变测量仪，其主要优点在于： （1）操作简单，测量准确，测量范围广（r=102~104s-1）； （2）毛细管中物料的流动与某些加工成型过程中 物料流动形式相仿，因而具有实用价值； （3）不仅可测量物料的剪切粘度，还可通过对挤 出行为的研究，讨论物料的弹性行为。
2．1运动方程及剪切应力的计算 假设：流体内不可压缩，流场是等温的稳定层流，流道壁 上无滑移。出入口效应暂时不考虑，如上图，考虑一个不 可压缩流体在半径为R的圆管中的层流，在此无限长的管 中取长度为L，两端压差为△p的液柱，由于是稳定层流， 所以图中虚线部分的圆柱流体所受的力是平衡的，即在半 径为r的圆柱面上阻碍流动的粘滞阻力τ2πrL与两端压差所 产生的使液柱流动的推力△p πr2 互相平衡。 τ2πr L= △p πr2 圆柱面上的切应力为: τ= △p r/2L
2．2剪切速率计算 不象上面剪切应力计算那么简单，它与流过毛 细管的物料种类有关。 对于牛顿型流体，
r
dV pr dr 2 L
其中，V为线速度，是与管中心距离r的函数，管 中心的的流速大，随r增大，v减小，故速度梯度 为负值。 可见， r 随r增大而增大，在管中心r=0则 =0。
流变测量的目的：
（1）物料的流变学表征。通过测量掌握物料的流变性质与 体系的组分、结构以及测试条件间的关系，为材料设计、配 方设计、工艺设计提供基础数据，控制和达到期望的加工流 动性和主要物理力学性能。 （2）工程的流变学研究和设计 借助流变测量研究聚合反 应工程、高分子加工工程及加工设备与模具设计制造中的流 场及温度场分布，确定工艺参数，研究极限流动条件及其与 工艺过程关系，为完成设备与模具CAD设计提供可靠的定量 依据。 （3）检验和指导流变本构方程理论的发展，通过流变测量， 获得材料真实的粘弹性变化规律及与材料结构参数间的内在 联系，检验本构方程的优劣。
2、完全发展区的流场分析 按照定义，流体的粘度等于流体承受的剪切应力除以剪 切速率。这一定义对牛顿型流体的常数粘度和非牛顿型流体 的表观粘度均能成立。这里要说明两点：（1）定义中的所 说的剪切应力和剪切速率都必须是针对同一流体的测量； （2）实际上剪切应力、剪切速率都不能直接测量，因此必 须通过一些直接测量的物理量来求得剪切速率和剪切应力， 从而求得粘度。