高分子流变学 压力流动分析
高分子材料的流变性能研究
高分子材料的流变性能研究高分子材料是一类由大量重复单元构成的大分子化合物，具有广泛的应用领域。
在实际应用中，高分子材料的流变性能研究对于了解其内在特性、优化工艺以及预测材料在不同工况下的表现至关重要。
本文将以高分子材料的流变性能研究为主题，探讨流变性能的定义、测试方法以及研究意义。
首先，我们来了解什么是高分子材料的流变性能。
流变学是研究物质在外力作用下变形和流动行为的学科。
高分子材料的流变性能即指其在外力作用下的变形和流动行为特性。
高分子材料的流变性能与其分子结构、链长、分子量分布、交联程度等因素密切相关，直接影响材料的物理力学性能和加工工艺。
在研究高分子材料的流变性能时，重要的一步是选择合适的测试方法。
目前常用的高分子材料流变性能测试方法包括旋转流变仪、拉伸流变仪、压缩流变仪等。
旋转流变仪主要用于测量高分子材料的剪切流变性能，通过在不同剪切速率下测量应力和应变的关系，以了解材料的粘弹性、塑性和黏弹性等特性。
拉伸流变仪则主要用于测量高分子材料的拉伸性能，通过施加不同的拉伸速率和应力，研究材料的应变和应力关系。
压缩流变仪则可在承受压力情况下，研究高分子材料的压缩变形特性。
通过上述测试方法，我们可以获得高分子材料的流变性能数据。
这些数据对于了解材料的变形行为、判断材料的应用性能以及指导材料的设计和制备具有重要意义。
从流变性能数据中，可以获得高分子材料的流变学参数，如剪切模量、拉伸模量、弹性模量、黏滞系数等。
这些参数反映了材料的力学性能、变形能力和变形时间。
通过分析这些参数值的变化趋势，可以评估材料的物理力学性能以及材料在不同应用条件下的性能稳定性。
高分子材料的流变性能研究具有广泛的应用领域，例如在工程塑料的开发中，了解材料在高温、高压下的流变行为，有助于判断材料在实际应用中的性能表现。
在医疗领域，研究生物材料的流变性能，可以为医疗器械的设计和材料选择提供依据。
在涂料和胶粘剂行业，通过研究材料的流变性能，可以优化涂料的施工性能和胶粘剂的黏附力。
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。
高分子流体介质的结构性能和流变特性分析
高分子流体介质的结构性能和流变特性分析引言高分子材料是一类由大量高分子化合物构成的材料，具有特殊的化学结构和物理性质，广泛应用于工业、医疗、电子等领域。
高分子流体介质是高分子材料中的一种特殊形态，其特点是具有流动性。
本文将对高分子流体介质的结构性能和流变特性进行详细分析，以增进我们对这一材料的理解。
结构性能分析高分子流体介质的结构性能主要包括分子结构、分子量、分子取向等方面的特征。
下面将针对这些特征展开分析。
分子结构高分子流体介质的分子结构复杂多样，可以是线性链状、支化状、交联状等。
不同的分子结构决定了高分子流体介质的特殊性质。
线性链状的高分子流体介质具有较好的可流动性和溶解性，而交联状的高分子流体介质则具有较好的强度和稳定性。
分子量高分子流体介质的分子量直接影响其流变特性。
一般来说，分子量较大的高分子流体介质具有较高的粘度和黏弹性，而分子量较小的高分子流体介质则具有较低的粘度和流动性。
分子取向高分子流体介质中的分子取向也影响其性能。
分子在流体介质中可呈现各种取向状态，如无序排列、层状排列、螺旋排列等。
不同的取向方式决定了高分子流体介质的力学性能、流动特性和热学性质。
流变特性分析高分子流体介质的流变特性是指其在受力作用下表现出的变形和流动行为。
理解高分子流体介质的流变特性对于控制其加工过程和改善产品性能非常重要。
下面将对高分子流体介质的黏弹性、剪切变稀和流动失稳等流变特性进行分析。
黏弹性高分子流体介质的黏弹性指的是在剪切力作用下，其既具有黏性流动又具有弹性恢复的特性。
黏弹性是高分子流体介质独特的流变特性之一，也是其广泛应用于注塑、涂装等工艺中的基础。
剪切变稀高分子流体介质在受到剪切力作用下，其粘度随着剪切速率的增加而减小的现象称为剪切变稀。
剪切变稀现象在高分子流体介质中普遍存在，对于某些复杂工艺的控制和优化具有重要意义。
流动失稳高分子流体介质在某些流动条件下会发生流动失稳现象，即流动过程中会出现不稳定的变化。
聚合物流变学高分子流体的流动分析教学课件PPT
r =r0 ， y P r0
2L
(2)宾汉流体在圆管中的速度分布
r r0 ,
r > r0
V R
V r
dVr
R
r
dr
R
r
y dr p
2 1 P( R 2 r2 ) Vr 1 P( R r 2 ) y ( R r ) 4L Vr p y ( R r ) p 4L
速度分布方程：
dV r dr
R
V R
V r
（1）圆管中流体的剪切应力及其分布
在此流体中取长度为 L 的一段，流体柱半 径为R，两端压力差为ΔP ，对其剪切应力 进行分析。 考察在半径为r处的层流，由于是稳定流动， 流体受力平衡（压力=剪切力），有
P r r 2r L
2
P r r 2L
由此可见，流体中 不同的层流所受到 的剪切应力 τ 与其 所在的位置，即半 径 r 成正比。
Q R
Q 0
dQ 2rV( r0 ) dr 2rV( r ) dr
0 r0
4 4
r0
R
Q( R )
R P 4 2L y 1 2L y 1 8L P 3 RP 3 RP
n=1,牛顿流体，
R P Q R 8L
4
哈根-泊肃叶方程
Hagen-Poiseuill
（5）幂律流体在圆管中平均流速
Q R R v
2
nR PR v 2 R 3n 1 2 KL
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。
高分子材料加工流变学解析
一、拉伸流动与拉伸黏度
拉伸流动的数学描述 2.非牛顿流体 低拉伸速率时，高分子材料熔体的拉伸流动行 为符合牛顿流体的拉伸流动公式 高拉伸速率时，高分子材料熔体的拉伸流动行 为比较复杂，呈非牛顿性
非牛顿流体拉伸流动行为
105
s/m
106
s/m
1
10
4
1
105
2
2
表观粘度，N
3
10
3
表观粘度，N
层流模型
第一节 高分子流体的剪切流动
层流模型
第一节 高分子流体的剪切流动
层流模型
第一节 高分子流体的剪切流动
几个概念 1.剪应力：τ =F/S 2.剪切应变（速度梯度）： γ=ΔV/ΔY 或γ=dv/dy 3.粘性、 内摩擦力、黏性摩擦力
第一节 高分子流体的剪切流动
流体的种类 区分方法：以τ对γ作图，看曲线的形状 牛顿流体 非牛顿流体 和时间无关的流体：假塑性流体；胀塑性流体； 宾汉流体 和时间有关的流体：触变性流体；流凝性流体
黏流活化能
粘流活化能的测定 一些高分子化合物黏流活化能举例
高分子化合 物 NR IR CR SBR NBR
Eη， kJ/mol 1.05 1.05 5.63 13.0 23.0
高分子化合 物 LDPE PA-6 PC 醋酸纤维素 PP
Eη，kJ/mol 46.1~71.2 60.7~66.9 105~125 292 41.9
一、高分子黏性流动的特点
1.由链段为单位进行位移运动而完成流动 小分子的流动 a 低分子液体中存在与分子体积相当的空穴 b 小分子可以和空穴通过热运动相互交换位 置 c 小分子通过受力方向上的从优跃迁而流动 高分子熔体的流动 高分子通过链段在受力方向上和自由体积间 的从优相继跃迁而完成流动。
高分子物理高分子物质的配向性和流动性质分析
高分子物理高分子物質的配向性和流動性質分析高分子物理是研究高分子材料性质和结构与物理原理之间相互联系的学科。
高分子物理是材料科学和化学工程中的重要分支领域，它研究的目标是理解高分子物质的行为和性质，为材料设计和工艺提供理论基础。
其中，高分子物质的配向性和流动性质正是高分子物理研究的关键方面之一。
本文将重点介绍高分子物质的配向性和流动性质的分析方法和应用。
一、高分子物质的配向性分析高分子物质的配向性是指高分子链的取向程度和排列规律性。
配向性的提高可以使高分子材料具有更好的机械性能、导电性能和热性能等。
下面将介绍一些常见的配向性分析方法：1. X射线衍射（XRD）X射线衍射是一种常用的用于分析晶体结构的方法，它也可以应用于高分子物质的配向性分析。
通过测量X射线在高分子材料中的衍射模式，可以推断出高分子链的排列方向和取向程度。
2. 偏振显微镜（POM）偏振显微镜是一种通过观察高分子材料在偏振光下的显微图像来研究其配向性的方法。
通过观察材料在不同方向上的偏振光干涉图案，可以判断高分子链的取向程度和排列规律性。
3. 核磁共振（NMR）核磁共振是一种通过测量高分子材料中不同核自旋的共振信号来研究其分子结构和取向情况的方法。
通过对核磁共振信号的分析，可以获得高分子链的取向程度和排列规律性的信息。
二、高分子物质的流动性质分析高分子物质的流动性质是指高分子链在受力作用下的变形和流动行为。
了解高分子物质的流动性质可以为材料的加工和成型提供理论指导。
下面将介绍一些常见的流动性质分析方法：1. 熔体流动性测试熔体流动性测试是一种通过测量高分子材料在一定温度下经过不同剪切速率时的流动性能来研究其流变性质的方法。
常用的熔体流动性测试方法包括毛细流动法、旋转流变法等。
2. 断裂性能分析断裂性能指高分子材料在受力作用下的断裂行为和力学性能。
通过测试高分子材料的拉伸、压缩、弯曲等断裂性能，可以了解其流动性质和力学性能。
3. 动态力学热分析（DMA）动态力学热分析是一种通过测量高分子材料在不同温度和频率下的力学性能来研究其流动性质的方法。
高分子溶液中的流体流动特性
高分子溶液中的流体流动特性引言高分子溶液是指在溶剂中溶解的高分子物质，其具有特殊的流动特性。
高分子溶液的流动特性研究对于理解高分子溶液的性质以及应用于工业生产和科学研究中具有重要意义。
本文将介绍高分子溶液中的流体流动特性，并探讨其在不同条件下的变化规律。
高分子溶液的流动行为高分子溶液中的流动行为受到多种因素的影响，包括高分子的分子量、浓度、溶剂的性质以及温度等。
在高分子溶液中，高分子链的扩展和流动引起了流变性质的变化。
高分子链的扩展高分子溶液中的高分子链存在不同的构象，包括缠绕、拉直和伸展等。
当高分子链在流动中受到剪切力时，链的构象会发生改变，并导致高分子溶液的流动特性的变化。
流变曲线高分子溶液的流变曲线描述了溶液在外力作用下的应变和应力之间的关系。
常见的流变曲线包括剪切应力-剪切速率曲线和应力-应变曲线。
通过分析流变曲线可以获得高分子溶液的黏度、弹性模量和黏弹性等流动特性。
布洛赫方程和弗拉奇方程布洛赫方程和弗拉奇方程是描述高分子溶液流动行为的数学模型。
布洛赫方程适用于低剪切应力下的流动，其中考虑了高分子链的扩展和沙龙机制。
弗拉奇方程适用于高剪切应力下的流动，其中考虑了高分子链的断裂和再组合。
高分子溶液流动特性的影响因素高分子溶液的流动特性受到多种因素的影响，以下是几个常见的影响因素：高分子的分子量高分子的分子量是影响高分子溶液流动特性的重要因素之一。
一般来说，高分子的分子量越大，溶液的粘度越高，流动性变差。
这是因为高分子链的扩展和流动需要消耗更多的能量。
高分子的浓度高分子溶液中高分子的浓度也会影响流动特性。
当高分子浓度较低时，高分子链之间的相互作用较弱，溶液较为稀薄，流动性较好。
当高分子浓度较高时，高分子链之间的相互作用增强，溶液变得较为粘稠，流动性变差。
溶剂的性质溶剂的性质对高分子溶液的流动特性也有影响。
不同的溶剂对高分子链的溶解能力不同，这会影响高分子链的构象和流动行为。
例如，极性溶剂和非极性溶剂对高分子的影响不同。
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r rz
n
p r 2 C1 z 2 K
r 0, rz 0可得C1 0
rz =
z p r r z 2K 积分后得
1 n
1 n
1 n p 1 n z =- r n C2 z 2 K 1 n
z 1 z r 1 p 1 T rr vr zz r r r z r r z T p r r r r r r 1 r r z r
体积流率为
qv
W 2 W 2
H 2 H 2
n 1 n 2 nWH H p n p 1 n H 1+n 1+n y dxdy z K 1+ n 2(2n 1) 2 KL 2 1 n
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②柱塞流动中混合作用不良。高聚物熔体在柱塞流动中，受到剪切作用很小，均化 作用差。冷却固化后的制品性能低下，对于多组分物料的加工不利。因此，对多组 分柱塞流动物料，通过双螺杆挤出的输送和均化，才能达到满意的效果。 ③最大剪切应力和最大剪切速率在管壁上。 ④流体在管中的流速及其体积流率，均随管径和压力增大而增加。随流体粘度和管 长的增加而减少。 ⑤假定管壁速度为零，但实际上熔体在管壁上有滑移现象。熔体在圆管内流动，还 伴随有高聚物相对分子质量的分级效应。相对分子质量较低的成分在流动中逐渐趋 于管壁附近，使这一区域流体粘度降低，流速有所增加。相对分子质量加大的成分， 则趋于管的中央，使中央区域流体粘度增加，流速减缓。因而，熔体的流动速率实 际上比计算值大。 （5）径向温度分布 将柱面坐标的能量方程简化成
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(6)粘性耗散温升测量 7.2平行板间的压力流动
p yz 0 z y
yz K yz
n
（ 7）
rz K yz K (
1 n
2
由边界条件r=R， T=TR, 解得
1 p C4 TR + 2 z
于是管道径向温度分布方程
n 1 n
3 n 1 1 n n r 2 K 3n 1
1 n
2
1 p T 2 z
1 n
2
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例题
某高聚物熔体以每秒0.01m最大流速，流经R=0.02m的圆管通道。若熔体的 流动指数n=1，在170 。 C的稠度K=103Pa.s.试求 （1）流道中流体的单位长度压力降。 （2）圆管壁面温度TR =170 。 C，熔体的导热系数 =4.2 10-3 W/m K。求圆管中 心处的温度。 （3）离开圆管中心多远，熔体温度恰为172。 C。
以无量纲速度曲线作图。由图可知，牛顿流体在 n=1,速度分布曲线为抛物线形。膨胀性流体在n>1 时，分布曲线变得较为陡峭突起，n值越大越接近 锥形。假塑性流体在n<1时，速度分布曲线较抛物 线平坦，n值越小管中心部分的速度分布平缓，曲 线类似于柱塞。
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（ 4）
z p 1 1 n =- r r z 2 K z p 1 = r r z 2 K
式（4）变为
n
1 n
1 T 1 p r r r r 2 z
1 n n 1+n
于是速度分布为
n 1 n n n n n H 1+n p 1 p 1 n H 1+n 1+n y 1+n z y L K 1+n 2 z K 1+n 2 1 n
1 n
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对于牛顿流体n =1，K =，于是 p 4 qv R 8 L 速度方程变为 p R2 r2 4 L （4）圆管内非牛顿流体速度分布
z
对速度函数作图
（ 1）
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非牛顿流体在圆管的轴向流动幂率方程为
rz K rz K (
n
式（2）代入式（1）得
z n ) r
（ 2）
p 1 n (rK rz ) z r r
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rz K rz K (
n
（2）代入（3）得
z n ) r
（ 2）
z n z 1 T r K ( ) r r r r r
式（4）变为
T 1 p r r 2 z
n 1 n
n 1 n
2 n 1 1 n r 2K
1 n
（ 5）
3 n 1 n 1 r n C3 2 K 3n 1
1 n
（ 6）
由边界条件r=0,
T 0, 解得C3 =0 r
管材挤出口模如图，由环隙外半径Ro与内半径Ri组成，进行常温层流
r = =0， （ = rz。 z r）
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7.3圆环隙中的轴向压力流动
流动分析。令A Ri / Ro , r / Ro，采用柱面坐标系 r，，z 。假设熔体在 半径r = Ro的圆周上，流速 rz最大。此处的剪切应力 rz =0，速度梯度 rz =0。 r
p p z L
1 n 1 n p 1 n n n z R r L 2K 1 n 1 n
（3）体积流率方程
qv
R
0
n p 3nn1 2 rv(r )dr R 3n 1 2 KL
假塑性流体
牛顿流体
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平均速度
z
qv nR Rp R 2 3n 1 2 KL
1 n
①非牛顿流体的流动速度曲线形状随流动指数n值不同而异。
n 1 n z n 1 r 1 z 3n 1 R
于是管道中心温度为
n 1 n
3n 1 3 n 1 1 n n n R r +TR 2 K 3n 1
1 n
2
1 p T0 2 z
n 1 n
3 n 1 1 n n R +TR 2 K 3n 1
z 1 rqr rz r r r 其中导热通量 T qr =- r
（ 3）
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柱面坐标能量方程
Cv (
T T T T 1 q qz 1 r z ) rq r t x r z r z r r
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由边界条件r R, rz 0可得 p 1 n C2 R n z 2 K 1 n 将C2 代入，得非牛顿流体在圆管中的速度分布方程
1 n 1 n p 1 n n n z R r z 2 K 1 n 1 n 1 n 1 n
第七章 压力流动分析
压力作用下高聚物熔体在管道内流动，称压力 流动。高聚物熔体成型加工过程中，所使用模具的 种类繁多，常见的流道主要有圆管形和狭缝两种。 压力流动分析时，假定高聚物熔体是不可压缩的， 在流道壁面上的流动速度为零，且流体的粘度不随 时间变化。实际熔体流动时是非等温的，但通常按 等温流动处理，其计算结果引起的误差很小。
n
K ( z )n y
z n ) y
求解非牛顿流体的速度分布和体积流率。对式（7）积分
yz
p y C1 z
由边界条件y=0，解得C1=0
yz
p y z
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