高分子流变学的新实验技术及研究进展
高分子材料加工流变学
高分子材料加工流变学1.流变学属于什么领域及由什么内容形成？领域:介于力学,化学和工程科学之间的边缘科学.形成内容:构成.塑性.弹性.粘流.变形2.伽利略：提出“内聚粘性”；胡克：研究弹性固体，提出了应力——应变的关系；牛顿：研究粘性液体，提出了流体应力——切变速率的关系；宾汉：发现了“宾汉流体”，命名了“流变学”；门尼：发明了门尼粘度计，改善了橡胶质量控制手段；泊肃叶：提出了泊肃叶方程，表示了粘性流体沿水平放置的圆形管道做层流时的流量，可用来计算粘性损耗，测量流体的粘度。
4.流变学的研究内容：借助高分子物理和加工理论解释材料在应力作用下各种力学行为与各因素之间的关系，解决高分子材料应用工程的问题。
5.影响聚合物加工性能的流变性质？断裂特性；粘度（流动性的量度）；弹性记忆效应（挤出膨胀）。
6.学习聚合物加工流变学的意义。
a.对进一步合成加工性能优良的高聚物有指导意义；b.对合理选择加工工艺和配方设计有重要意义；c.对合理设计加工机械，正确使用机械，创新加工机械十分重要。
1.聚合物加工过程的应力有哪三种类型？在其作用下各产生什么流动？答：A剪切应力(τ)：产生剪切流动，如挤出机口模注塑机流道炼塑(胶)机辊间。
B拉伸应力(σ)：产生拉伸流动，如薄膜电线包覆。
C 流体表压力（P）：产生压力流（泊肃叶流动），如两平面间缝隙、圆管中的泊肃叶流动。
2.聚合物流动的主要特点？答A流动机理的分段流动；低分子：整个分子移动（跃动）→实现流动；高分子：分段移动→实现流动。
B粘度大，流动困难，且粘度不是一个常数。
C流动时有构象变化，产生“弹性记忆效应”，加工过程中聚合物流动性质主要表现为粘度变化，粘度（及变化）是聚合物加工过程中重要的参数。
4.为何聚合物流动时会产生弹性记忆效应？答：聚合物卷曲的分子链在外力作用下，产生流变，并产生分子链相对位移以及高弹形变（链舒展、构象变化）。
由于聚合物在流变过程中，不仅有真实的流动（塑性形变），还伴随非真实流动（高弹形变），外力除去→回缩→“弹性记忆”（如挤出后会有膨胀收缩现象）。
流变学基础及应用
外在条件（T,P,σ,γ） 高分子结构(M,分布，支化)
流变学基础
二．拉伸粘度（t）: 定义与剪切过程中的粘度相似。只是其速度梯度在形变的方向与剪切 粘度不同。速度梯度方向平行于流动方向,例如:吹塑成型中离开模口 后的流动,纺丝中离开喷丝口后的牵伸.
log
A t B
A：t 随 ↑ 而↑, 支化聚合物。如支化PE B：t 与 无关: 聚合度低的线性高物:POM、PA-66 C ： t 随 ↑ 而 ↓ ,
流变学基础
影响流动性a的主要因素
剪切应力和剪切速率： 和 ŕ升高，粘度下降
log
( ) K , n 非牛顿指数.
n 1, , , 假塑性流体
n
刚性链:两者↑,下降不明显 柔性链:两者↑,下降明显.
logŕ
柔性链容易通过链段运动取向或 者链的解缠结, 使拟网状结构密 度下降,流动单元减小,流动阻力 下降明显.对刚性链链段长,而在 粘度大的熔体中要使整个分子取 向困难,内摩擦阻力大,流动过程 中取向作用小,随着剪切速率增加, 粘度变化小.
添加剂：
炭黑： ①增粘效应。②减弱非牛顿流动体系流动性，提高n值。（用量，粒 径，结构，表面性质）补强系数 RF=η/η0 碳酸钙：①增容作用，降低成本。增多体系内部微空隙，应力集中增强。增 大了粘度，加工性能下降。 增塑剂：①降低熔体粘度，降低熔点，改善流动性。应用于粘度大，熔点高 难加工的高填充高分子体系，增大大分子链之间的间距，减少分子 链间作用，降低物理缠结点密度。
链的柔顺性: 好,则回复快 温度: 越高,则回复越快
流变学基础
分子量超过MC后,链间可能因为缠结或者范德华力作用形成链间物理交 联点,并在分子热运动的作用下,处在不断解体与重建的动态平衡中结果 使整个熔体具有瞬变的交联空间网状结构.称为拟网状结构.
高分子流变学（PDF）
ΔP = F
1 4
πd
p
2
式中，dp 为活塞直径（料筒内径） 。
郝文涛，合肥工业大学化工学院
35
那么毛细管管壁处的剪切应力就等于
τw
=
ΔP ⋅ R 2L
=
4F ⋅ R
2πd p 2 L
=
π
D ⋅dp2L
⋅F
式中，D 为毛细管直径，而 R 为毛细管半 径。
郝文涛，合肥工业大学化工学院
2
第三章 流变学测量
本章主要讨论几种重要并且常见的流变仪的工作原 理及简单使用方法。 强调其实用性，加入了有关双转子转矩流变仪及门 尼粘度计方面的内容。 与前面所讲过的粘度测量不同，这里所要测定的参 数多，计算过程复杂。
郝文涛，合肥工业大学化工学院
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目录
第一节 引言 第二节 毛细管流变仪 第三节 双转子转矩流变仪 第四节 旋转流变仪
郝文涛，合肥工业大学化工学院
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第一节 引言
1. 流变测量的目的
① 物料的流变学表征; ② 工程的流变学研究和设计; ③ 检验和指导流变本构方程理论的发展。
郝文涛，合肥工业大学化工学院
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1）物料的流变学表征
最基本的流变测量任务。 通过测量掌握物料的流变性质与体系的组
分、结构及测试条件的关系，为材料设 计、配方设计、工艺设计提供基础数据， 控制、达到期望的加工流动性和主要物理 力学性能。
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lgτ
T1
lgη
T2
T3
lg γ&
T1 T2 T3
lg γ&
图4-3 毛细管流变实验曲线示意，T1 < T2 < T3
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
高分子材料流变学【名词解释】1.假塑性流体：黏度随剪切速率的增加而降低的流体，粘度与剪切应力之间的关系服从幂律定律，其中，非牛顿指数n<12.膨胀性流体:黏度随剪切速率的增加而升高的流体，粘度与剪切应力之间的关系服从幂律定律，其中非牛顿指数n>13.宾汉流体:指当所受的剪切应力超过临界剪切应力后，才能变形的流动的流体，亦称塑性流体，其中剪切应力与剪切速率服从τ=τy+ηpγ4.牛顿流体:剪切应力与剪切速率之间呈线性关系，表达式为τ=μγ的流体5.剪切变稀：粘度随剪切速率升高而降低6.爬杆效应：当金属杆在盛有高分子流体的容器中旋转，熔体沿杆上爬的现象7.挤出胀大：聚合物熔体挤出圆形截面的毛细管时，挤出物的直径大于毛细管模直径8.熔体破裂：聚合物熔体在毛细管中流动时，当剪切速率较高时，聚合物表面出现不规则的现象，如竹节状，鲨鱼皮状9.无管虹吸：当插入聚合物溶液中的玻璃管，提离液面之上时，聚合物溶液继续沿玻璃管流出的现象10.第一法向应力差：高聚物熔体流动时，由于弹性行为，受剪切的作用时，产生法向应力差，其中满足关系式N1=τ11?τ22=φ1?γ 212(N1通常为正值)11.第二法向应力差：同上，关系式为N2=τ22?τ33=φ2?γ 212 (N2通常为负值)12.本构方程：是一类联系应力张量和应变张量或应变速率张量之间的关系方程，而联系的系数通常是材料的常数。
13.剪切应力：单位面积上的剪切力，τ=FA14.剪切速率：流体以一定速度沿剪切力方向移动。
在黏性阻力和固定壁面阻力的作用力，使相邻液层之间出现速度差,γ=d vdy 也可理解成一定间距的液层，在一定时间内的相对移动距离。
15．高分子流变学：研究高分子液体，主要是指高分子熔体干分子溶液在流动状态下的非线性粘弹性行为。
以及这种行为与材料结构及其他物理化学的关系。
16．出膨胀现象：高分子熔体被迫基础口模时，挤出物尺寸大于口模尺寸截面积形象黄也发生变化的现象【简答题】1.常用的聚合物流变仪有：毛细管型流变仪、转子型流变仪、组合式转矩流变仪、振荡型流变仪、落球式黏度计、其他类型流变仪（拉伸流变仪、缝模流变仪和弯管流变仪等）2.流变测量的目的：（1）物料的流变学表征。
高分子熔体的流变性
高分子熔体属于非牛顿流体的范畴， 其流动行为不符合牛顿流体的线性关 系。
流动曲线与粘度曲线
非牛顿流体的流动曲线和粘度曲线通 常呈现出非线性特征，可以通过流变 实验进行测定和分析。
弹性与塑性表现
高分子熔体的弹性
01
高分子熔体在流动过程中表现出一定的弹性，即在外力作用下
发生形变后能够部分恢复。
高分子熔体组成
由长链状大分子和少量添 加剂（如增塑剂、稳定剂 等）组成。
高分子熔体分类
根据来源和性质不同，高 分子熔体可分为热塑性熔 体和热固性熔体。
流变性研究意义及应用
研究意义
流变性是高分子熔体的重要物理性质，对其加工性能和产品质量具有重要影响。 通过研究高分子熔体的流变性，可以优化加工工艺、提高产品质量、降低生产 成本。
理论计算方法
结果分析与讨论
采用数值模拟方法对高分子熔体流动 行为进行理论计算，如有限元法、有 限差分法等。
对理论计算和实验结果进行分析和讨 论，探究高分子熔体流动行为的内在 规律和影响因素。
实验验证方法
通过实验手段对高分子熔体流动行为 进行验证，如流变仪测试、毛细管流 变实验等。
04 高分子熔体加工过程中的 流变性
现代流动理论发展
分子链缠结理论
高分子链之间的缠结作用对熔体 流动行为产生重要影响，缠结程 度与分子量、分子链结构等因素
密切相关。
蠕虫状链模型
该模型将高分子链视为由一系列蠕 虫状链段组成，可描述高分子熔体 的非线性粘弹性行为。
瞬态网络理论
高分子熔体在流动过程中形成瞬态 网络结构，该理论可解释高分子熔 体的触变性、震凝性等现象。
03 高分子熔体流动模型与理 论
经典流动模型介绍
流变学实验-1 转矩流变仪应用试验
转矩流变试验胡圣飞编一、试验原理及目的高分子材料的成型过程，如塑料的压制、压延、挤出、注射等工艺，化纤抽丝，橡胶加工等过程，都是利用高分子材料熔体进行的。
熔体受力作用，不但表现有流动和变形、而且这种流动和变形行为强烈地依赖于材料结构和外界条件，高分子材料的这种性质称为流变行为（即流变性）。
测定高聚物熔体流变性质，根据施力方式不同，有多种类型的仪器，转矩流变仪是其中的一种。
它由微机控制系统、混合装置（挤出机、混炼器）等组成。
测量时，测试物料放入混合装置中，动力系统驱使混合装置的混合元件（螺杆、转子）转动，微处理机按照测试条件给予给定值、保证转矩流变仪在实验控制条件下工作。
物料受混合元件的混炼、剪切作用以及摩擦热、外部加热作用，发生一系列的物理、化学变化。
在不同的变化状态下，测试出物料对转动元件产生的阻力转矩、物料热量、压力等参数。
其后，微处理机再将物料的时间、转矩、熔体温度、熔体压力、转速、流速等测量数据进行处理，得出图、表形式的实验结果。
利用转矩流变仪不同的转子结构、螺杆数、螺杆结构、挤出模具以及辅机，可以测量高分子材料在凝胶、熔融、交联、固化、发泡、分解等作用状态下的转矩—温度时间曲线，表观粘度—剪切应力（或剪切速率）曲线，了解成型加工过程中的流变行为及其规律。
还可以对不同塑料的挤出成型过程进行研究，探索原材料与成型工艺、设备间的影响关系。
总之，对于成型工艺的合理选择，正确操作，优化控制，获得优质、高产、低耗制品以及为制造成型工艺装备提供必要的设计参数等，都有非常重要的意义。
高分子材料的流变性除受高聚物结构及有关复合物组成的影响外，采用混合器测量流变性质时的实验条件也是十分重要的影响因素。
二、试验用原材料硬质PVC粒状复合物或混配物PVC 100 60 56.52174ACR丙烯酸酯共聚物 4 2.4 2.26CPE氯化聚乙烯 6 3.6 3.39钙锌复合稳定剂 4.5 2.7 2.54硬脂酸0.5 0.3 0.2869 64.99174三、主要仪器设备RM-200C转矩流变仪，主要分三部分：主机、电气控制柜、混合或挤出装置。
水凝胶流变学研究概况
在药物传递领域，透明质酸粘多糖物理凝胶可以作为药物载体，控制药物的释 放，提高药物的疗效并降低副作用。在牙齿美白领域，透明质酸粘多糖可以作 为牙齿保护剂，有效保护牙齿免受外界刺激，同时还可以作为牙齿美白材料， 改善牙齿的颜色和光泽度。在眼部护理领域，透明质酸粘多糖可以作为眼药水 添加剂，起到润滑和保护眼角膜的作用，对于治疗眼部干燥和炎症有一定的疗 效。
动态力学分析仪则通过测量水凝胶在振动载荷作用下的响应，提供其动态模量、 阻尼因子等参数。此外，一些新兴的技术手段如原位光谱技术、微观力学测试 技术等也被应用于水凝胶流变学的研究中。
研究成果和不足
水凝胶流变学的研究成果主要表现在以下几个方面：首先，研究者们通过实验 和理论分析揭示了水凝胶的流变性质与聚合物链段运动、交联密度等因素的关 系。其次，水凝胶流变学在药物传递系统和组织工程等领域得到了广泛应用， 为水凝胶材料的性能优化提供了有益的指导。最后，新兴的水凝胶流变学测量 技术为更深入地理解水凝胶的结构和性能提供了有益的工具。
材料和方法
试验所用的椰子水饮料为市售产品，通过对其制备工艺和材料进行分析，选用 不同的添加剂和贮藏条件进行试验。试验过程中，采用流变仪对椰子水饮料的 流变学特性进行测定，同时观察其贮藏过程中的品质变化。
结果与讨论
通过试验研究，发现椰子水饮料的贮藏稳定性及流变学特性受到多种因素的影 响。其中，温度是影响椰子水饮料贮藏稳定性的重要因素。在高温条件下，椰 子水饮料的品质下降较快，出现浑浊、沉淀等现象。此外，过低的温度会导致 椰子水饮料结冰，也会对其品质产生不良影响。
水凝胶流变学研究概况
01 摘要
03 研究现状
目录
02 引言 04 研究方法
目录
05 研究成果和不足
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高分子流变学的新实验技术及研究进展
随着高分子材料的广泛应用，对其流变性质的研究也越来越重要。
高分子流变学是研究高分子溶液、凝胶、聚合物膜等物料在
外场下流变（变形、应变率等）规律的一门学科。
它在材料科学、化学、地球科学、生命科学等领域中都有广泛应用，如化学加工、药物输送、医疗器械等方面。
本文将介绍一些高分子流变学的新
实验技术及研究进展。
一、高分子微流变技术
高分子流变学检测的主要难点是标准流变仪的样品量较大，装
置大且复杂，且不适合在微观尺度下进行检测。
而在医学、生物
学等领域中，往往需要对小型生物材料，如细胞、细胞外基质等
进行流变学研究。
因此高分子微流变技术应运而生。
该技术借鉴
了微纳米制造技术，采用微流控通道的方法，将待测液体导入微
通道中，通过激光检测仪器对流体流动情况进行分析。
通道的大
小通常在微米尺度以下，可以消除由于壁面效应和离心力等带来
的干扰，提高了实验的灵敏性和准确性。
高分子微流变技术的发展，为生物以及高分子材料的流变学研究提供了新的手段。
二、高分子动态光散射技术
动态光散射技术（DLS）是一种常见的流变学检测技术，可以通过测量样品的光子散射强度，得到其颗粒尺寸分布、扩散系数等信息。
在过去，DLS主要应用于低分子量的粒子或聚合物颗粒的测量，但对于高分子或生物大分子的粒子，由于其粒径过大、分子量大，故传统的DLS检测技术受到了限制。
近年来，高分子动态光散射技术逐渐兴起，该技术针对高分子溶液、聚合物体系等进行测量，解决了低分子量颗粒技术难以应用于高分子颗粒检测的问题。
此外，高分子DLS技术的光路系统更加复杂，需要紫外线激光等高能量的光源和多重散射修正技术，但其对高分子颗粒的测量结果更加准确。
三、多重应变率流变学
传统的流变学往往是在恒定的应变率下进行的，而随着新材料的不断发展，越来越多的高分子材料在实际应用中需要满足不同的应变率下的变形性能。
多重应变率流变学技术可以在同一实验中对不同应变率下的流变性质进行测试，得到更为全面的材料性能参考值。
例如，多重应变率流变学技术在涂料、皮革等多种领域应用较为广泛，可以对材料在不同应变率下的变形及耐久性进行分析，以提高材料的使用寿命。
四、高分子粘弹性技术
高分子材料在变形后可以发生弹性形变以及粘性流动等过程，并随着应变率的改变而发生变化。
高分子粘弹性技术可以测量材料的弹性模量、黏弹性等多种流变参数，对材料的变形和形变过程进行全面分析。
该技术在电子电器、塑料、橡胶、粘合剂、油漆、粉末涂料等领域有广泛的应用，可以提高材料的质量、寿命及性能。
总的来说，高分子流变学的实验技术越来越多样化，也在不断发展创新。
新技术的应用为高分子材料研究提供了更多样化、更具针对性的手段，有望为材料科学领域的创新提供新的思路。