高分子流变性能
高分子流变特性研究及应用前景
高分子流变特性研究及应用前景一、引言高分子材料以其特有的材料性质，广泛应用于制造业、医疗、包装等领域。
高分子材料的流变特性在材料工程中具有重要的影响因素。
本文将引入高分子流变特性的研究及其应用前景。
二、高分子流变特性研究1. 基本概念高分子材料的流变特性是指其牵伸、剪切、弹性等物理特性的变化规律。
在实际应用中，高分子材料需要经受各种力的作用，包括剪切力，扭转和挤压等。
因此，流变特性的研究是理解高分子材料的变形规律的关键。
2. 流变特性测试流变特性的测量是通过物理手段来测试高分子材料的不同形变规律。
通常，流变特性测试通过试验机来实现。
测试时可以对高分子物质施加不同的应力来测定其变形规律，并通过应变仪器来记录材料的变形数据。
3. 流变特性对材料性能的影响高分子材料的流变特性对其性能具有显著的影响。
例如，在制造过程中，高分子被塑造成具有特定形状和表面的部件。
高流变材料在当时可能受到更大的应力，并具有更高的扭转能力，使其成为一种更加可靠和耐用的材料选择。
4. 流变特性的控制现代化的材料制造过程已经越来越需要对高分子材料的流变特性进行管制，以确保质量的稳定性和制造效率的提高。
控制流变能力可以通过添加特殊的添加剂、改变原有的材料配方及实施加工工艺控制和测试等方法来实现。
三、应用前景1. 广泛应用的胶体领域高分子流变特性的研究和应用在胶体领域中具有广泛的应用前景。
例如，透明胶体涂层的制造开始受到流变特性的控制；一些功能性胶体也可用于医疗和生物医学应用领域中。
2. 应用于制造业在制造业中，高分子材料是非常重要的材料之一。
高分子流变特性研究成果可以促进工业领域对高分子材料的加工，帮助制造出更强、更具有弹性和可调制性的部件。
3. 应用于环保高分子流变特性的研究可应用于环保领域，例如，研究高分子材料的粘度，有助于制造出更有效的油品污染防护材料。
此外，高分子材料也能为环保领域提供新的替代品，例如：可生物降解高分子材料。
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。
高分子的流变特性
高分子物理
8 Polymer Rheology
高分子的流变特性
8.0 Introduction
前言
Rheology 流变学
当高聚物熔体和溶液（简称流体）在受外 力作用时，既表现粘性流动，又表现出弹 性形变，因此称为高聚物流体的流变性或 流变行为.
流变学是研究物质流动和变形的一门科学， 涉及自然界各种流动和变形过程。
弹性
粘性
8.1 Melt Flow
液体流动
Shear Flow and Viscosity
剪切流动与粘度
Shear stress
剪切应力
Shear strain
剪切应变
F
A
dx
dy
dx
A v+dv
F
F
v
dy
Shear rate d dv
切变速率
dt dy
Newton's law
取向观点的解释
在熔体流动过程中，高分子链沿流动方向取向，粘度反 比于取向度
低剪切区：分子链构象变化慢，分子链有足够时间进行松弛，高分 子链的构象实际上没有发生变化，因此粘度没有明显变化 第一 牛顿区
小分子液体的流动：分子向 “孔穴” 相继跃迁
small molecule hole
高分子熔体的流动：链段向 “孔穴” 相继跃迁 Reptation 蛇行
Flow curve
a
Kn
第一牛顿区
0零切粘度
第二牛顿区
无穷切粘度，极限粘度
假塑性区
流动曲线斜率n<1 随切变速率增加，ηa值变小 加工成型时，聚合物流体所经受的 切变速处于该范围内(100-103 s-1)
合成高分子密封材料的黏度与流变性能研究
合成高分子密封材料的黏度与流变性能研究高分子密封材料是一种常用于填充、密封和粘合的材料，具有广泛的应用领域，包括建筑、航空航天、汽车、电子等。
在实际应用中，高分子密封材料的黏度和流变性能的研究对于材料的性能和使用效果有着重要的影响。
首先，黏度是指材料流动阻力的大小。
高分子材料的黏度与材料的化学结构、分子量、分子间相互作用力等因素相关。
在合成高分子密封材料的过程中，通过调整材料的化学配方、合成方法和工艺条件等，可以控制材料的黏度。
黏度的调控可以使材料具有良好的流动性，使其更易于施工和使用。
其次，流变性能是指材料在受力过程中的变形特性。
高分子材料的流变性能包括弹性、塑性、粘弹性等。
通过研究高分子密封材料的流变性能，可以了解材料的变形行为和性能变化规律。
根据流变性能的研究结果，可以优化材料的配方和工艺，提高密封材料的使用寿命和性能稳定性。
在研究高分子密封材料的黏度和流变性能时，常用的方法包括粘度测定、动态力学分析、拉伸试验等。
其中，粘度测定是衡量材料黏度的常用方法，通过测定材料在一定温度下的流动性来评估黏度。
动态力学分析可以研究材料的弹性和粘弹性等流变性能指标。
拉伸试验则可以了解材料的塑性变形特性和拉伸性能。
在实际应用中，高分子密封材料的黏度和流变性能直接影响着材料的施工性能和使用寿命。
过低的黏度会导致材料流动性差，不易施工和填充；过高的黏度会导致材料黏度大，不易涂敷和使用。
流变性能差的材料在受力过程中容易产生变形和破裂现象，降低了材料的使用寿命。
因此，合成高分子密封材料时需要综合考虑黏度和流变性能指标，以实现材料的优化设计和性能提升。
在研究中，可以通过调整高分子材料的配方，包括添加剂的种类和用量、溶剂的选择等来调控材料的黏度和流变性能。
同时，通过改变合成方法和工艺条件，例如温度、压力等，也可以对材料的性能进行调整。
通过系统的实验设计和数据分析，可以获得一系列不同黏度和流变性能的高分子密封材料，从而为实际应用提供选择和参考。
高分子溶液特点
高分子溶液特点
高分子溶液是指由高分子物质（聚合物）溶解在溶剂中形成的混合物。
它具有以下特点：
1. 高分子溶液的粘度较高：高分子溶液中的聚合物分子量较大，分子间的相互作用力较强，因此溶液的粘度较高。
这也是高分子溶液在实际应用中常被用作润滑剂、黏合剂等的原因之一。
2. 高分子溶液的流变性能复杂：高分子溶液的流变性能是指其在外力作用下的变形和流动行为。
由于聚合物分子的特殊结构和形态，高分子溶液的流变性能常常呈现出非牛顿流体的特点，即其流动性随剪切速率的改变而变化。
3. 高分子溶液的溶解度有限：由于溶剂与聚合物分子之间的相互作用力，高分子溶液的溶解度有限。
当聚合物分子量较大时，其在溶剂中的溶解度会进一步降低。
这也是高分子溶液在制备过程中需要控制溶解条件的重要原因之一。
4. 高分子溶液的稳定性较低：由于高分子溶液中的聚合物分子具有较大的分子量和较强的相互作用力，所以高分子溶液的稳定性较低。
在外界条件的变化下，高分子溶液容易发生相分离、凝胶化等现象，从而影响其性能和应用。
5. 高分子溶液的性能可调控性强：高分子溶液的性能可以通过改变聚合物分子量、溶液浓度、溶剂选择等方式进行调控。
这使得高分
子溶液能够应用于各种不同的领域，如涂料、纺织品、药物传递系统等。
总结起来，高分子溶液具有粘度高、流变性能复杂、溶解度有限、稳定性较低和性能可调控性强等特点。
这些特点使得高分子溶液在材料科学、化学工程、生物医学等领域具有广泛的应用前景。
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。
高分子材料的流变性能与动力学行为研究
高分子材料的流变性能与动力学行为研究高分子材料是当代材料科学中的重要一环，其广泛应用于塑料、橡胶、纤维等多个领域。
了解高分子材料的流变性能以及其动力学行为，对于优化材料制备过程、提升材料性能具有重要意义。
本文将针对高分子材料的流变性能与动力学行为进行探讨。
一、高分子材料的流变性能研究方法1. 流变仪测量流变仪是研究高分子材料流变性能的重要工具，在实验室中得到广泛应用。
通过对高分子材料进行剪切或挤出等力学加载，流变仪可以实时监测和记录材料的变形过程。
从流变曲线中可以提取出粘弹性参数，如剪切模量、流变指数等，用于表征材料的形变特性。
2. 分子动力学模拟分子动力学模拟是一种基于物理力学原理，模拟高分子材料分子间相互作用和运动行为的计算方法。
通过分子动力学模拟，可以得到高分子材料的微观结构和动态特性，从而揭示材料在宏观层面上所表现出的流变性能。
二、高分子材料的流变性能研究结果与分析1. 高分子材料的流变行为在流变性能研究中，高分子材料常常表现出非线性和时变等特点。
例如，高分子材料的应力-应变曲线在低应变范围内呈现线性行为，但在较大应变下则会出现非线性变形。
此外，高分子材料还存在着时变性能，即随着加载时间的延长，材料的流变性能会发生变化。
2. 高分子材料的黏弹性行为高分子材料同时具有固体和液体的特性，呈现出黏弹性行为。
在小应变下，高分子材料表现出固体的弹性特性，而在大应变下，材料则表现出液体的流动行为。
这种固液相互转换导致了高分子材料的黏弹性，使其在应用中可以同时满足强度和变形需求。
3. 高分子材料的温度对流变性能的影响温度是影响高分子材料流变性能的重要因素之一。
随着温度的升高，高分子材料的粘度会降低，流动性能增加；而在低温下，材料可能会变得脆性。
因此，合理控制材料的温度可以调控其流变性能，提高其加工性能和应用性能。
三、高分子材料的动力学行为研究1. 高分子材料的分子间相互作用高分子材料的流变性能与其分子间的相互作用密切相关。
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
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高聚物流体的非牛顿性
弹性：分子链构象不断变化 高聚物流体 粘性：流动中分子链相对移动 —— 非牛顿流体 非牛顿流体的流变行为用幂律方程表示
. n
τ = Kγ
K, n = const.
稠度指数K和流动指数n
流动指数 n 亦称非牛顿指数，表示该种 流体与牛顿流体的偏差程度 n=1, 牛顿流体
τ = Kγ
Chap. 9
Rheology of Polymer
Wu Sizhu College of Materials Science & Engineering Beijing University of Chemical Technology
The contents of polymer physics
Toothpaste
--- Bingham plastic
Oil paint 油漆
Eugene Cooke Bingham (1878~1945), 美国化学家 1929年提出流变学的概 念，现代流变学奠基人 in 1928, Rheological Society
一切皆流
——切力变稀流体
Herakleitos
C. 旋转粘度计 Rotational viscometer
拉伸粘度计
9.3 影响粘度的因素
9.3.1 剪切速率和温度
假塑性流体
Bingham plastic Newton liquid
膨胀性流体
9.3.2 粘度的分子量依赖性
分子量M大，分子链越长，链段数越多，要这 么多的链段协同起来朝一个方向运动相对来 说要难些。此外，分子链越长，分子间发生 缠结作用的几率大，从而流动阻力增大，粘 logη0 (Pa.s) 度增加。 When M<Mc When M>Mc
9.3.4 分子链支化的影响
短支化时，相当于自由 体积增大，流动空间增 大，从而粘度减小
logη
B A
logM
长支化时，相当长链分 子增多，易缠结，从而 粘度增加
Examples-LDPE and LLDPE
LDPE 低密度聚乙烯
支链太长，流动性不好
LLDPE 线形低密度聚乙烯
-共混后改善加工性能与强度等
η
= K γ
τ = Kγ
• n −1
•n
表观粘度与形变速率有关
a
Discussion
η
a
= K γ
. n −1
切力变稀流体 表观粘度ηa随剪切 （假塑性体） When n<1， n-1<0 速率增加而减小 Pseudoplastic
表观粘度ηa随剪切 增稠流体 n-1>0 When n>1， 速率增加而增加 （膨胀性流体） Dilatant
测定聚合物熔体粘度的方法
落球粘度计
Falling sphere viscosimeter
毛细管流变仪
Capillary Rheometer
旋转粘度计
Rotational viscometer
A. 落球粘度计- Falling sphere viscosimeter
大试管 刚珠 粘液 恒温槽 刻 度
Chapter 1~5 微观结构及分子运动
Chapter 6~8
高聚物的性能
Chapter 9
聚合物加工
什么是流变学？
流形 动变
高聚物流变定义
Sir Isaac Newton Robert Hooke (1643~1727), (1635~1703), Britain Britain
当高聚物熔体和溶液（简称流体）在 受外力作用时，既表现粘性流动，又 表现出弹性形变，因此称为高聚物流 体的流变性或流变行为。
. n
n与1相差越大，偏离 牛顿流体的程度越强
表观粘度 Apparent viscosity
η
=
For Newtonian liquid, the viscosity
τ γ
•
= const
τ Therefore, for nonη a = • Newtonian liquid, defining γ the apparent viscosity Substitute
黏度指数增加，蜡
- soot particles 煤烟粒子
PSEUDOPLASTIC
切力变稀流体（假塑性体）
- GRS latex solutions 乳胶液 - sewage sludge's 淤泥 - grease 油脂 - molasses 蜜糖 - paint 油漆 - starch 淀粉 - soap 肥皂 - most emulsions 绝大多数乳液 - printer's ink 打印墨水 - paper pulp 纸浆
9.2 高聚物流体的非牛顿性原因
表观粘度和剪切速率的关系
零切 粘度
η0
ηa = K γ
•n
极限 粘度
η∞
第一牛顿区
幂律区（假塑区） 第二牛顿区
Entanglements
New attempt to deal with entanglements
Explanation
第一牛顿区：低剪切速率时，缠结与解缠结速 率处于一个动态平衡，表观粘度保持恒定，定 为η0，称零切粘度，类似牛顿流体。 幂律区：剪切速率升高到一定值，解缠结速度 快，再缠结速度慢，流体表观粘度随剪切速率 增加而减小，即剪切稀化，呈假塑性行为。 第二牛顿区：剪切速率很高时，缠结遭破坏， 再缠结困难，缠结点几乎不存在，表观粘度再 次维持恒定，定为η∞，称牛顿极限粘度，又类 似牛顿流体行为。
Examples
PVC PAN PS Tf > Td Tf > Td 加工中如何办？ 溶液纺丝 溶液成型
流变行为影响最终产品的力学性质
加工过程中流动场
分子结晶、取向排列
薄膜和纤维等的力学性质
9.1 Newtonian liquid and non-Newtonian liquid 牛顿流体和非牛顿流体
9.1.1三种理想状态 (1) Ideal elastic solid
τ = Eγ
(2) Ideal viscous liquid
图示
Ideal elastic solid
Bingham liquid
Ideal viscous liquid
9.1.2 聚合物熔体流动特点
（1）粘度大，流动性差: 这是因为高分子 链的流动是通过链段的相继位移来实现分子 链的整体迁移，类似蚯蚓的蠕动 （2）不符合牛顿流动规律：在流动过程 中粘度随切变速率的增加而下降 （3）熔体流动时伴随高弹形变：因为在 外力作用下，高分子链沿外力方向发生伸展， 当外力消失后，分子链又由伸展变为卷曲， 使形变部分恢复，表现出弹性行为
假塑性流体
膨胀性流体
Multiple-choice test
对牛顿流体、膨胀性流体和假塑性流体 其流动指数（非牛顿指数）n 分别为 n=1; n<1; n>1 n=1; n>1; n<1
其粘度η 随剪切速率γ 的变化分别为
η 不变; η 随 γ 的增加而增加；η 随 γ 的增加而减小 η 不变; η 随 γ 的增加而减小；η 随 γ 的增加而增加
EXTRUSION LAMINATING MACHINE 挤出复合机
LDPE、LLDPE、PP、EVA、EAA、EMA
Film blown line
熔融态加工对某些聚合物除外
(1) 交联聚合物：硫化橡胶、 酚醛、环氧树脂 (2) 分解温度Td <Tf 的聚合物： 聚丙烯腈PAN、聚乙烯醇 (3) 刚性极大：如Kevlar
Examples
切力变稀流体 - Oil paint 增稠流体 - Coating, Melt
Concrete mixer
---Yield dilatant 膨胀性流体
Mixing eggs
--Yield pseudoplastic 假塑性流体
Yield pseudoplasticTHIXOTROPIC 触变体
carboxymethyl cellulose - lard 猪油
羧甲基纤维素
9.1.3 应力与切变速率的关系
Ideal Bingham plastic Pseudoplastic 假塑性流体 Newtonian liquid Dilatant 膨 胀性流体
表观粘度和切变速率的关系
Ideal Bingham liquid Newton liquid
Spinning
结构特点
高聚物的流动行为是高聚物分子运动的表现， 反映了高聚物的组成、结构、分子量及其分 布等结构特点。
对高聚物熔体和溶液体系的流变性能分析，必须既考 虑其粘性流动（不可逆形变），也必须考虑其弹性变 形（可逆形变）；同时还需考虑高聚物链结构的不均 一性（如分子量分布和支化），分散体系的不均匀性 （如颗粒大小、填料的不均一性）；高聚物在加工过 程中有化学降解和热氧降解等等；以及形变的不均匀 性、温度的不均匀性等等。
2 gr ( D − d )t η= 9h
2
g: 重力加速度 （cm/s2) D: 刚珠的比重（g/cm3) d: 液体的比重(g/cm3) t: 刚珠经过h厘米的时间(s)
h: 刚珠在t秒内落下的距离(cm r: 刚珠的半径(cm)
η单位？ g/(s*cm)=Pa
B. 毛细管流变仪 Capillary Rheometer
dγ τ =ηγ =η dt
.
Hooke’s law
Newton law
τ---剪应力 γ---剪应变 γ---切变速率 η---粘度
(3) 宾汉流体 Bingham liquid
τ <τy