高分子材料流变学4-流变测量 演示文稿.ppt

按照定义， /，因此计算粘度的前提是
测量剪切应力和剪切速度。
需要说明的是，一，定义中的剪切应力和剪切速 度都必须是针对同一个流体元测量的。二，实际 上剪切应力和剪切速度也不能直接测量，因此必 须通过设计实验和原理分析，从一些可直接测量 的物理量求取剪切应力和剪切速度，然后求得粘 度。
1.2.1 运动方程及剪切应力的计算
振荡型流变仪 用于测量小振幅下的动态力学性 能，其结构同转子型流变仪。只是通过改造控制 系统，使其转子不是沿一个方向旋转，而是作小 振幅的正弦振荡。所谓的Weissenberg流变仪属 于此类。
根据物料的形变历史，流变测量实验可分为：
稳态流变实验 剪切速率场、温度场恒为常数，不 随时间变化。
动态流变实验 应力和应变场交替变化，振幅小， 正弦规律变化。
1 毛细管流变仪
1.1 毛细管流变仪的基本构造
毛细管流变仪为目前发展得最成熟，典型的流变 测量仪。其主要优点在于操作简单，测量准确， 测量范围广阔（：10-2s-1～104s-1）。使用毛细管 流变仪不仅能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。
毛细管流变仪的基本构造如图6-1，6-2所示。其 核心部分为一套精致的毛细管，具有不同的长径 比（通常L/D =10/1，20/1，30/1，40/1等）；料 筒周围为恒温加热套，内有电热丝；料筒内物料 的上部为液压驱动的柱塞。物料经加热变为熔体 后，在柱塞高压作用下，强迫从毛细管挤出，由 此测量物料的粘弹性。
第六章 流变测量学
随着高分子材料流变学的发展，流变测量的方法和仪器也日 臻完善。流变测量的目的至少可归纳为三个方面：
a) 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。
图6-4 毛细管中三个流动区域
1.2 完全发展区内的流场分析
完全发展流动区是毛细管中最重要的区域，物料 的粘度在此测定。可以证明，物料在流线平行的 完全发展区作测粘流动。
测粘流动：指流场中每一物质点均承受常剪切速 率的简单剪切形变（加上平移和转动）。
只有测粘流动才能测出客观的有实际价值的粘性 性质。
析，得知流速只有 z 分量不等于零，速度梯度只
有分量 z不等于零，偏应力张量可能存在的分量
有 zr 、zrz 得到：
、
rr
、
；设惯性力和重力忽略不计，
瞬态流变实验 应力或应变阶跃变化，相当于突然 的起始流或终止流。
根据物料的流动形式来分类。按照人们习惯的约 定：方向1为流动的方向，2为速度梯度的方向， 3为中性方向，则有：
剪切流场测量，即1和2方向垂直。
拉伸流场测量，即1和2方向平行。
目前剪切流场的实验研究得透彻，测量仪器已基 本定型；而拉伸流场的实验因其复杂性尚未完全 定型，研究者往往自行设计测试方法和仪器。
转子型流变仪 根据转子几何构造的不同又分为锥 一板型、平行板型（板—板型）、同轴圆筒型等。 橡胶工业中常用的门尼粘度计可归为一种改造的 转子型流变仪。
混炼机型转矩流变仪 实际上是一种组合式转矩 测量仪。除主机外，带有一种小型密炼器和小型 螺杆挤出机及各种口模。优点在于其测量过程与 实际加工过程相仿，测量结果更具工程意义。常 见的有Brabender公司和Haake公司生产的塑性 计。
此外，仪器还配有高档的调速机构，测力机构， 控温机构，自动记录和数据处理系统，有定型的 或自行设计的计算机控制、运算和绘图软件，操 作运用十分便捷。
岛津毛细管流变仪器
德国Goettfert公司
图6.3 熔融指数仪结构示意图
本节重点讨论恒速型毛细管流变仪的测量原理。 物料在整条毛细管中的流动可分为三个区：入口 区、完全发展流动区、出口区（见图6-4）。分别 加以讨论。
在完全发展流动区，设毛细管半径为R，发展区 长度为L'，物料在柱塞压力下作等温稳定的轴向 层流。为研究方便，选取柱坐标系r、θ、z见图65。可以看出，流速方向（1方向）在z 方向，速 度梯度方向（2方向）在r方向，θ方向为中性方向 （3方向）。
图6-5 物料据上面的分
由此，流变测量学首先必需担当起如下两项任务；
理论上，要建立各种边界条件下的可测量（如压力、 扭矩、转速、频率、线速度、流量、温度等）与描 写材料流变性质但不能直接测量的物理量（如应力、 应变、应变速率、粘度、模量、法向应力差系数等） 间的恰当联系，分析各种流变测量实验的科学意义， 估计引入的误差。
作业
1写出剪切应力、剪切速率的定义以及单位， 2.什么是非牛顿流体，其主要类型，并画出牛顿流体宾汉流体、 假塑性、胀流性流体的剪切应力-剪切速率和表观粘度-剪切速率 曲线图 3什么是幂律方程，非牛顿指数的物理意义是什么，假塑型、胀 流性及牛顿流体的非牛顿指数的大小范围是多少 4 什么是零剪切粘度、表观粘度、微分粘度，并画图表示
实验技术上，要能够完成很宽的粘弹性变化范围 内（往往跨越几个乃至十几个数量级的变化范 围），针对从稀溶液到熔体等不同高分子状态的 体系的粘弹性测量，并使测得的量值尽可能准确 地反映体系真实的流变特性和工程的实际条件。 这两项任务都是相当艰巨的。
常用的流变测量仪器
毛细管型流变仪 根据测量原理不同又可分为恒速 型（测压力）和恒压力型（测流速）两种。通常 的高压毛细管流变仪多为恒速型；塑料工业中常 用的熔融指数仪属恒压力型毛细管流变仪的一种。
b) 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、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 工艺过程的关系，为实现工程优化，完成设备与模具CAD 设计提供定量依据。
c) 检验和指导流变本构方程理论的发展。流变测量的 最高级任务。这种测量必须是科学的，经得起验证 的。通过测量，获得材料真实的粘弹性变化规律及 与材料结构参数的内在联系，检验本构方程的优劣。