高分子流变学

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第一节 流是研究材料的流动和变形的科学， 它是一门介于力学、化学、物理与工程科学 之间的新兴交叉学科（这里说的材料既包括 流体形态，也包括固体形态的物质）。
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流变学是研究材料的流动和变形的科学
一般情况下，实际材料往往表现出非理想 弹性，亦非理想粘性的力学性质。
如沥青、粘土、橡胶、石油、蛋清、血浆、食 品、化工原材料、泥石流、地壳，尤其是形形 色色高分子材料和制品。 它们既能流动，又能变形；既有粘性，又有弹 性；变形中会发生粘性损耗，流动时又有弹性 记忆效应，粘弹性结合，流变性并存。
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流变学是研究材料的流动和变形的科学
对于这类材料，仅用牛顿流动定律或虎克 弹性定律已无法全面描述其复杂力学响应 规律，必须发展一门新学科——流变学对 其进行研究。
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1. 结构流变学
稀溶液粘弹理论发展比较完备。RouseZimm-Lodge等人的贡献。已经能够根据分 子结构参数定量预测溶液的流变性质。 浓厚体系和亚浓体系粘弹理论。de Gennes 和Doi-Edwards的贡献。将多链体系简化为 一条受限制的单链体系，提出蛇行蠕动模 型。 结构流变学进展对高分子凝聚态物理基础 理论的研究具有重要价值。
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3. 血液流变学
1948年Copley提出生物流变的概念，即血液、淋巴液其他 体液、玻璃体，软组织如血管、肌肉、晶体、甚至骨骼， 细胞质等均可发生流变。 到1951年，提出研究血液及其有形成分的流动性与形变规 律的流变叫血液流变学(hemorheology)。 这是生物、数学、化学及物理等学科交叉发展的边缘科 学，目前研究全血在各切变率下的表现粘度称为宏观流变 学；而研究血液有形成分的流变学特性，如红细胞的变 形、聚集、表面电荷等，称为血细胞流变学(cellular hemorheology)。 近年来，发展到从分子水平研究血液成分的流变特性，如 红细胞膜中骨架蛋白、膜磷脂对红细胞流变性的影响，血 浆分子成分对血浆粘度的影响等，这些属于分子血液流变 学(molecular hemorheology)。 /Article/xlb/200506/755.html
绝大多数的生物流体 高聚物溶液或熔体，油漆 石油、油墨、牙膏 泥浆、泥石流、高含沙水流、地幔 食品工业中的各种物质，番茄汁、淀粉液、蛋清、苹 果浆
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四．流变学的研究内容
1.
本构方程：
流变学研究内容是各种材料的蠕变和应力松 弛的现象、屈服值以及材料的流变模型和本 构方程。 在不同物理条件下(如温度、压力、湿度、辐 射、电磁场等)，以应力、应变和时间的物理 变量来定量描述材料状态的方程，叫作流变 状态方程或本构方程。 材料的流变特性一般可用两种方法来模拟， 即力学模型和物理模型。
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2. 电流变学
电流变技术是指将电流变效应或电流变现象，应用于工程 实践的一项技术。 特殊液体在电场作用和控制下，其粘度在一定剪切速率下 发生明显变化的现象，称为电流变效应。 类似于磁流变技术。 在20世纪40年代就开始研究，80年代开始繁荣。
按地质年代计算，坚硬的地壳也在流动， 地质学中著名的“板块理论”揭示了亿万年 来地球大陆板块的变化和运动。 另一方面，如果以极快的速度瞬间打击某 种液体时，甚至连水都表现了一定的“反弹 性” 。
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二．流变学产生的简史与发展
1.
流变学的诞生：宾汉（奠基人）与雷诺的故 事。
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致谢
本PPT是建立在诸多优秀教材的基础上的，比如 《聚合物加工流变学基础》（周彦豪）；《高聚 物流变学及其应用》（徐佩弦）；《高分子材料 流变学》（吴其晔）等，在此向各位前辈致敬！ 本PPT在制作过程中曾经参考了许多知名学者的 研究论文。此外，本PPT也借鉴了一些其他高校 的优秀PPT，一并表示感谢！
宾汉 Eugene Cook Bingham 1878~1945，美 国化学家，流变学（Rheology）的奠基人
雷诺是英国著名的工程师，物理学家 和教育家，毕生对水力学和流体力学 的研究做出了重要贡献。
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流变学的诞生和研究对象
科学网，王振东的博客 /m/user_conte nt.aspx?id=219864
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第二节 高分子流变学概述
一．定义：
高分子材料流变学——研究高分子液 体，主要指高分子熔体、高分子溶液， 在流动状态下的非线性粘弹行为，以及 这种行为与材料结构及其它物理、化学 性质的关系。
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二．高分子流变学的发展
聚合物流变学是随高分子材料的合成、加工和应 用的需要，于50年代发展起来的。 在聚合物的聚合阶段，流变学与化学结合在一 起；而在以后的阶段，主要是与聚合物加工相结 合。 聚合物流变学70年代发展较快，在1984年第九届 国际流变学会议上总结了最近的研究成果，B.米 纳等主编了《流变学进展》一书。
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4. 流变学应用
①
流变学与现代工业
流变学的发展同世界经济发展和工业化进程 密切相关。 现代工业需要耐蠕变、耐高温的高质量金 属、合金、陶瓷和高强度的聚合物等，因此 同固体蠕变、粘弹性和蠕变断裂有关的流变 学迅速发展起来。 核工业中核反应堆和粒子加速器的发展，为 研究由辐射产生的变形打开新的领域。
1）“弹性形变”是指短暂的，能恢复原状的形变； 2）“粘性流动”是指持续的、不能恢复原状的形变。
固体 ≠ 只有弹性形变的物体； 流体 ≠ 只有粘性流动的物体。 实际上，同时具有这两种性质的物体是很多的。
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2. 非牛顿流体：
不符合牛顿粘性定律，粘度不为常数，其剪切应 力与剪切应变速率之间已不是线性关系的流体。
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② 流变学与地球科学
在地球科学中，人们很早就知道时间过程 这一重要因素。 流变学为研究地壳中极有趣的地球物理现 象提供了物理-数学工具，如冰川期以后的 上升、层状岩层的褶皱、造山作用、地震 成因以及成矿作用等。 对于地球内部过程，如岩浆活动、地幔热 对流等，现在则可利用高温、高压岩石流 变试验来模拟，从而发展了地球动力学。
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3. 物理模型
力学模型的流变模型没有考虑材料的内部物理特 性，如分子运动、位错运动、裂纹扩张等。 当前对材料质量的要求越来越高，如高强度超韧 性的金属、高强度耐高温的陶瓷、高强度聚合物 等。对它们的研究就必须考虑材料的内部物理特 性，因此发展了高温蠕变理论。 这个理论通过考虑固体晶体内部和晶粒颗粒边界 存在的缺陷对材料流变性能的影响，表达出材料 内部结构的物理常数，亦即材料的物理流变模 型。
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3. 目前关于流变学的研究十分活跃
流变学研究队伍日趋壮大
日本，美国，中国研究人员都有不同程度增加
流变学学术交流日趋频繁
国际会议不断，各成员国内部会议也很频繁
流变学研究领域日趋广泛
研究成果涉及到“计算流变学”、“流动稳定性”、“泡 沫、乳胶和表面活化剂”、“食品和生物材料流变学”、 “材料加工流变学”、“微结构模型”、“纳米流变学和微 观流体”、“非牛顿流体流变学”、“聚合物熔体”、“聚 合物溶液”、“流变仪器和实验方法”、“固体和复合材 料”、“悬浮体和胶质”、“应用流变学和其他”等分支学 科。
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2. 力学模型
在简单情况（单轴压缩或拉伸，单剪或纯 剪）下，应力应变特性可用力学流变模型 描述。 在评价蠕变或应力松弛试验结果时，利用 力学流变模型有助于了解材料的流变性 能。 这种模型已用了几十年，它们比较简单， 可用来预测在任意应力历史和温度变化下 的材料变形。
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流变学是研究材料的流动和变形的科学
流动与变形又是两个紧密相关的概念。在 时间长河中，万物皆流，万物皆变。 流动可视为广义的变形，而变形也可视为 广义的流动。 两者的差别主要在于外力作用时间的长短 及观察者观察时间的不同。
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流变学是研究材料的流动和变形的科学
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2. 流变学的发展
①
流变学出现在20世纪20年代
学者们在研究橡胶、塑料、油漆、玻璃、混凝 土，以及金属等工业材料；岩石、土、石油、 矿物等地质材料； 以及血液、肌肉骨骼等生物材料的性质过程 中，发现使用古典弹性理论、塑性理论和牛顿 流体理论已不能说明这些材料的复杂特性。 于是就产生了流变学的思想。
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③ 早期国际流变学发展
经过长期探索，人们终于得知，一切材料都具有 时间效应，于是出现了流变学，并在20世纪30年 代后得到蓬勃发展。 1929年，在E.C. Bingham教授的倡议下，美国创 建流变学会；1939年，荷兰皇家科学院成立了以 伯格斯教授为首的流变学小组；1940年英国出现 了流变学家学会。当时，荷兰的工作处于领先地 位，1948年首届国际流变学会议就是在荷兰举行 的。 法国、日本、瑞典、澳大利亚、奥地利、捷克斯 洛伐克、意大利、比利时等国也先后成立了流变 学会。
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三．高分子流变学研究内容
粗略地，高分子材料流变学可分高分子结 构流变学和高分子加工流变学两大块。