高分子流变学基本概念
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高分子流变学
材料科学与化学工程学院
Zimm model
Zimm模型描述聚合物链运动的数学模型： 在溶剂中，聚合物链是以一个半径为 R、且扩张体积中包含 溶剂的线团作为整体进行运动的，其摩擦力为： ζz ≈ ηz R 由Einstein公式可得Zimm链的扩散系数为 Dz = k T / ζz Stokes定律来确定其关系式： ζz= 6πηR(球的体积影响) 根据聚合物链均方末端距的普适表达式R=b Nv，可将Zimm链的 松弛时间改写为： R=b N0.6 τ z = R2/ Dz = R2 ζz / k T =6πη R3 / k T = 6πηb 3N1.8 / k T Zimm链的扩散系数为 Dz = k T / ζz = k T / 6πηb N0.6 η= G（ τ ） τ z =(k T / N V0 ) 6πηb 3N1.8 / k T = 6πηb 3N0.8 / V0
流动 流体
粘性
耗散能 量
产生永 久变形
时间过 程
牛顿定 律
根据经典流体力学理论，不可压缩理想流体的流动为纯粘 性流动，在很小的剪切应力作用下流动立即发生，外力释 去后，流动立即停止，但粘性形变不可恢复。切变速率不 大时，切应力与切边速率呈线性关系，遵循牛顿粘性定律 ，且应力与应变本身无关。
材料科学与化学工程学院
变形
固体
弹性
储存能 量
变形可 以恢复
瞬时响 应
虎克定 律
根据经典固体力学理论，在极限应力范围内，各向同 性的理想弹性固体的形变为瞬时间发生的可逆形变。 应力与应变呈线性关系，服从胡克弹性定律，且应力 与应变速率无关。
牛顿流体与胡克弹性体是两类性质被简化的抽象物体
材料科学与化学工程学院
高分子材料加工工艺聚合物流变学基础
度，类似凝胶；当外部τ作用而破坏暂时的交联点时，粘度即随 和剪切时间的增加而降低。 摇凝性液体
A.含义：在定温下表观粘度随剪切持续时间延长而增大的液体称为摇凝性液体。 B.原因：主要原因是溶液中不对称的粒子（椭球形线团）在剪切应力场的速度作用下取向排列形成暂时 次价交联点所致，这种绨合使粘度不断增加，最后形成凝胶状，只要外力作用一停止，暂时交联点就消除，粘 度重新降低。
应变：材料在应力作用下产生的形变和尺寸的改变称为应变。（单位长度的形变量） 根据受力方式不同，通常有三种类型：剪切应变（γ）、拉伸应变（ε）和流体静压力的均匀压缩
剪切速率
表示单位时间内的剪切应变
拉伸速率 牛顿粘度
表示单位时间内的拉伸应变
为比例常数，称为牛顿粘度。是液体自身所固有的性质，其表征液体抵抗外力 引起流动变形的能力。液体不同，粘度值不同与分子结构和温度有关，单位（
高分子材料加工工艺聚合物流 变学基础
流变学 流动+形变
高分子材料加工流变学？
第一节 高分子熔体流变行为
• 1 非牛顿型流动 • （1）牛顿流体 • 服从牛顿流动定律的流体称为牛顿流体 • （2）非牛顿流体 • 凡不服从牛顿流动定律的流体称为非牛顿流体
应力：单位面积上所受的力称为应力。 根据受力方式不同，通常有三种主要类型：剪切应力（τ）、拉伸应力（б）和流体静压力（P）
• 高分子流动不是简单的整个分子的迁移，而是链段的相继蠕动来实现的。类似于蛇的蠕动。链段的尺寸大 小约含几十个主链原子。
• 流动不复合牛顿流体的运动规律。粘度随剪切速率或剪切应力的大小而改变。 • 这个优点利于我们通过改变螺杆转速、压力等工艺参数调节熔体的粘度、改善其流动性。
• 聚合物在流动过程中所发生的形变一部分是可逆的，因为聚合物的流动并不是高分子链之间简单的相对滑 移的结果，而是链段分段运动的总结果，这样在外力作用下，高分子链不可避免地要顺外力方向有所伸展 ，聚合物进行黏性流动时，必然伴随高弹形变。在外力消除后，高分子链又要卷曲起来。
A.含义：在定温下表观粘度随剪切持续时间延长而增大的液体称为摇凝性液体。 B.原因：主要原因是溶液中不对称的粒子（椭球形线团）在剪切应力场的速度作用下取向排列形成暂时 次价交联点所致，这种绨合使粘度不断增加，最后形成凝胶状，只要外力作用一停止，暂时交联点就消除，粘 度重新降低。
应变：材料在应力作用下产生的形变和尺寸的改变称为应变。（单位长度的形变量） 根据受力方式不同，通常有三种类型：剪切应变（γ）、拉伸应变（ε）和流体静压力的均匀压缩
剪切速率
表示单位时间内的剪切应变
拉伸速率 牛顿粘度
表示单位时间内的拉伸应变
为比例常数，称为牛顿粘度。是液体自身所固有的性质，其表征液体抵抗外力 引起流动变形的能力。液体不同，粘度值不同与分子结构和温度有关，单位（
高分子材料加工工艺聚合物流 变学基础
流变学 流动+形变
高分子材料加工流变学？
第一节 高分子熔体流变行为
• 1 非牛顿型流动 • （1）牛顿流体 • 服从牛顿流动定律的流体称为牛顿流体 • （2）非牛顿流体 • 凡不服从牛顿流动定律的流体称为非牛顿流体
应力：单位面积上所受的力称为应力。 根据受力方式不同，通常有三种主要类型：剪切应力（τ）、拉伸应力（б）和流体静压力（P）
• 高分子流动不是简单的整个分子的迁移，而是链段的相继蠕动来实现的。类似于蛇的蠕动。链段的尺寸大 小约含几十个主链原子。
• 流动不复合牛顿流体的运动规律。粘度随剪切速率或剪切应力的大小而改变。 • 这个优点利于我们通过改变螺杆转速、压力等工艺参数调节熔体的粘度、改善其流动性。
• 聚合物在流动过程中所发生的形变一部分是可逆的，因为聚合物的流动并不是高分子链之间简单的相对滑 移的结果，而是链段分段运动的总结果，这样在外力作用下，高分子链不可避免地要顺外力方向有所伸展 ，聚合物进行黏性流动时，必然伴随高弹形变。在外力消除后，高分子链又要卷曲起来。
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。
高分子流变学
郝文涛，合肥工业大学化工学院
4
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）。
郝文涛，合肥工业大学化工学院
5
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。
郝文涛，合肥工业大学化工学院
6
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。
郝文涛，合肥工业大学化工学院 34
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。
郝文涛，合肥工业大学化工学院
29
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
高分子流变学教案
各向同性膨胀是均匀的变形（Homogeneous）。物体内
任何体积单元都变化3倍，当然物体不一定是立方柱体
2.2.2 拉伸和单向压缩 （Extension and uniaxial expension）
l′＝l b′＝b c′＝c V/V0＝2
＝1＋ <<1
l l
l
为长度的分数增量
＝1－ <<1 bb cc 为侧边的分数减量
线性粘性流体（Linear viscous fluid）或牛顿流体
流动速度正比于所加之力 ＝
聚合物流变模式的形态
聚合物流变行为的多样性和多元性 聚合物的力学状态 聚合物形态的转变 聚合物粘弹态
聚合物的力学状态
聚合物没有明确的固态和液态的界限，固体和液体 的转化过程比低分子材料复杂得多，必须认识聚合 物力学形态的多样性
图3.4 交联聚合物（橡胶）的拉伸模量与温度的关系
微晶的存在 起到交联的
作用
图3.5 结晶性线形聚合物的拉伸模量与温度的关系
其形状与无定型聚合物类似，其区别 是坪台区较宽，且坪台处的模量较高
3.4.3 模量的分子量依赖性
低温时粘弹性主要决定于大分 子链的小链段的运动，而与大 分子链本身的尺寸基本上无关 。在高温时的粘弹性则涉及到 较大链段的复杂运动，以解开 缠绕并最后大分子链间相互滑 移 ，所以分子量对拉伸模量的 影响主要在高弹态和粘流态
低3～4个数量级。
聚合物弹性模量与温度的关系
温度对体积模量的影响较小，低于玻璃化温度和高于玻璃 化温度的K相差仅两倍左右，在同一数量级上。拉伸和剪 切模量的温度依赖性则很大
图3.3 无定形线形聚合物的拉伸模量与温度的关系
分子链热运动加强，回缩 力逐渐变大，弹性形变能 力变小，表现为弹性模量
任何体积单元都变化3倍，当然物体不一定是立方柱体
2.2.2 拉伸和单向压缩 （Extension and uniaxial expension）
l′＝l b′＝b c′＝c V/V0＝2
＝1＋ <<1
l l
l
为长度的分数增量
＝1－ <<1 bb cc 为侧边的分数减量
线性粘性流体（Linear viscous fluid）或牛顿流体
流动速度正比于所加之力 ＝
聚合物流变模式的形态
聚合物流变行为的多样性和多元性 聚合物的力学状态 聚合物形态的转变 聚合物粘弹态
聚合物的力学状态
聚合物没有明确的固态和液态的界限，固体和液体 的转化过程比低分子材料复杂得多，必须认识聚合 物力学形态的多样性
图3.4 交联聚合物（橡胶）的拉伸模量与温度的关系
微晶的存在 起到交联的
作用
图3.5 结晶性线形聚合物的拉伸模量与温度的关系
其形状与无定型聚合物类似，其区别 是坪台区较宽，且坪台处的模量较高
3.4.3 模量的分子量依赖性
低温时粘弹性主要决定于大分 子链的小链段的运动，而与大 分子链本身的尺寸基本上无关 。在高温时的粘弹性则涉及到 较大链段的复杂运动，以解开 缠绕并最后大分子链间相互滑 移 ，所以分子量对拉伸模量的 影响主要在高弹态和粘流态
低3～4个数量级。
聚合物弹性模量与温度的关系
温度对体积模量的影响较小，低于玻璃化温度和高于玻璃 化温度的K相差仅两倍左右，在同一数量级上。拉伸和剪 切模量的温度依赖性则很大
图3.3 无定形线形聚合物的拉伸模量与温度的关系
分子链热运动加强，回缩 力逐渐变大，弹性形变能 力变小，表现为弹性模量
《高分子流变学》复习资料
第二章 流变学的基本概念
1、单位张量和对称张量：
单位张量
对称张量（������������������������������������ = ������������������������������������ ）
2、无穷小位移梯度张量
������������11 σ = �������������21 ������������31
������������������������������������ ⎤ ������������������������ ⎥ ������������������������������������ ⎥ ������������������������ ⎥ ⎥ ������������������������������������ ⎥ ������������������������ ⎦
0 0 1 0� 0 1
������������12 ������������22 ∙
������������13 ������������23 �。 ∙
3、应变张量 ������������������������������������ ������������ = ������������������������������������ = ������������������������������������� ������������������������������������
������������12 ������������22 ������������32
1 ������������ = �0 0
������������13 ������������11 ������������23 � = � ∙ ������������33 ∙
高分子流变学基本概念课件
工业生产
高分子流变学在塑料、橡胶、涂料等工业生产中具有重要的应用价 值，可以提高产品质量和降低能耗。
生物医学
高分子流变学在生物医学领域的应用逐渐增多，如药物载体、组织 工程等，有助于推动医学研究和治疗技术的发展。
新能源领域
高分子流变学在太阳能、风能等新能源领域具有潜在的应用价值，有 助于提高能源利用效率和降低环境污染。
高分子流变学基本 概念课件
目 录
• 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 • 总结与展望
01
高分子流变学简介
高分子流变学的定义
01
高分子流变学是一门研究高分子 材料流动和变形的学科，主要关 注高分子材料在应力、温度、时 间等作用下的形变和流动行为。
绿色环保
发展环境友好型的高分子流变学材料和制备技术，降低对环境的 负面影响。
高分子流变学的挑战与机遇
挑战
高分子流变学研究面临实验难度 大、理论模型不完善等挑战，需 要加强基础研究和实验验证。
机遇
随着科技的不断进步和应用需求 的增加，高分子流变学将迎来更 多的发展机遇和空间。
高分子流变学的应用前景
02
它涉及到高分子物理、化学、力 学等多个领域，是高分子科学的 一个重要分支。
高分子流变学的研究内容
01
高分子流体的基本流变性质
研究高分子流体的剪切粘度、拉伸粘度、弹性等基本流变性质，以及这
些性质与高分子链结构、分子量、温度等因素的关系。
02 03
高分子加工成型过程中的流变行为
研究高分子材料在加工成型过程中的流变行为，如塑料挤出、注射成型、 压延等过程中的流动和变形，以及这些过程对高分子材料结构和性能的 影响。
高分子流变学在塑料、橡胶、涂料等工业生产中具有重要的应用价 值，可以提高产品质量和降低能耗。
生物医学
高分子流变学在生物医学领域的应用逐渐增多，如药物载体、组织 工程等，有助于推动医学研究和治疗技术的发展。
新能源领域
高分子流变学在太阳能、风能等新能源领域具有潜在的应用价值，有 助于提高能源利用效率和降低环境污染。
高分子流变学基本 概念课件
目 录
• 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 • 总结与展望
01
高分子流变学简介
高分子流变学的定义
01
高分子流变学是一门研究高分子 材料流动和变形的学科，主要关 注高分子材料在应力、温度、时 间等作用下的形变和流动行为。
绿色环保
发展环境友好型的高分子流变学材料和制备技术，降低对环境的 负面影响。
高分子流变学的挑战与机遇
挑战
高分子流变学研究面临实验难度 大、理论模型不完善等挑战，需 要加强基础研究和实验验证。
机遇
随着科技的不断进步和应用需求 的增加，高分子流变学将迎来更 多的发展机遇和空间。
高分子流变学的应用前景
02
它涉及到高分子物理、化学、力 学等多个领域，是高分子科学的 一个重要分支。
高分子流变学的研究内容
01
高分子流体的基本流变性质
研究高分子流体的剪切粘度、拉伸粘度、弹性等基本流变性质，以及这
些性质与高分子链结构、分子量、温度等因素的关系。
02 03
高分子加工成型过程中的流变行为
研究高分子材料在加工成型过程中的流变行为，如塑料挤出、注射成型、 压延等过程中的流动和变形，以及这些过程对高分子材料结构和性能的 影响。
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牛顿流体是指在受力后极易变形，且切应力与变形速率 （或切变速率）成正比的低粘性流体
凡流动行为符合牛顿流动定律的流体，称
为牛顿流体。牛顿流体的粘度仅与流体分 子的结构和温度有关，与切应力和切变速 率无关。
牛顿流体：水、甘油、高分子稀溶液。
剪切形变 切变速率
dx
dy
， 剪切应力
dt dy
F
A
(s -1 )
dr d ( dx ) d ( dx ) dv
dt dy dt dy
牛顿流动定律：
η ：单位Pa· s
2、非牛顿流体：
宾汉流体： 指一种最早由尤金· 宾汉提出的粘弹性非牛顿流体. 其流动 性为线性.宾汉流体描述为: 此流体只有在达到一个最小剪应力 的临界值才开始流动. 低于此临界 值 宾汉流体表现为普通的弹性体 如在用油漆刷墙时，刷墙的磙子给与油漆 以足够的外力，使油漆处于流动状态并作 为粘性体附着在墙壁上而不会滞留在磙子 上;当油漆离开磙子并不继续受到外力影响 时,便处于普通的弹性体状态附着在墙壁上 不再流动
橡胶工业：门尼粘度：一定温度 100℃ 一定转子
转速下，测未硫化胶对转子转动的阻力。 100 MI 3 4 、100℃，预热3min，转动4min。 门尼粘度越小，流动性越好。
9.2
9.2.1 测定方法
聚合物熔体的切粘度
1、落球粘度计： 测低切变速率下零切粘度。 2、毛细管粘度计：使用最为广泛，可在较宽的范围调节剪 切速率和温度，最接近加工条件。 体的弹性和不稳定流动现象。 还可研究聚合物流
聚合物普适流动曲线分三个区域
1、第一牛顿区
低切变速率，曲线的斜率n＝1，符合牛顿流动定律。
该区的粘度通常称为零切粘度。 2、假塑性区(非牛顿区) 流动曲线的斜率n<1，该区的粘度为表观粘度ηa，随着 切变速率的增加，ηa值变小。通常聚合物流体加工成型 时所经受的切变速率正在这一范围内。 3、第二牛顿区 在高切变速率区，流动曲线的斜率n＝1，符合牛顿流动 定律。该区的粘度称为无穷切粘度或极限粘度η∞。 从聚合物流动曲线，可求得η、η∞和ηa。
宾哈流体因流动而产生的形变完全不能恢复而作为永久变形保存下来， 即这种流动变形具有典型塑性形变的特征，故又常将宾哈流体称为塑 性流体。
假塑性流体： 其表观剪切黏度随剪切速率的增加而减小的一种非牛顿流 体 ，非牛顿流体中最为普通的一种。 流动曲线：流动曲线不是直线，而是一条斜率先迅速变大 而后又逐渐变小的曲线，而且不存在屈服应力。
3、旋转粘度计：
有同轴圆筒式、锥板式、平行板式。主要适用于聚合物
浓溶液或胶乳的粘度和聚合物熔体粘度的常用仪器。
落球粘度 计
上式
毛细管粘度计
由牛顿定理推出的泊肃叶（Pineville）公式作为理论基础
PR 4 t
8lV
动能校正
PR 4 t
8lV
m
V 8lt
引
流变学：
言
是研究材料流动和变形规律的一门科学。 聚合物流变学： 为高分子成型加工奠定理论基础。 聚合物熔体流动时，外力作用发生粘性流动，同 时表现出可逆的弹性形变。故称之为弹粘体。 聚合物的流动并不是高分子链之间的简单滑移， 而是运动单元依次跃迁的结果。 （蚯蚓蠕动）
它的流变行为强烈地依赖于聚合物本身的结
塑料工业上最常用的熔融指数 MI ：指在一定的
温度下和规定负荷下（ 2160g ）， 10min 内从规 定直径和长度的标准毛细管内流出的聚合物的 熔体的质量，用MI表示，单位为g/10min。 熔体流动速率（MFR）
如PE：190℃，2160g的熔融指数MI190／2160。 一般 MI 越大，流动性越好（ η 小）。但由于不同聚合物 的测定时的标准条件不同，因此不具可比性。 注射级MI大，挤出MI小，吹塑之间。
本章主要教学内容
1.牛顿流体与非牛顿流体 2.聚合物熔体的切粘度
3.聚合物熔体的弹性表现
：
重点及要求
（1）理解和掌握聚合物粘性流动的特点； （2）掌握非牛顿流体的概念和种类及产生的原因；
（3）了解聚合物熔体剪切粘度的主要测定方法；
（4）理解和掌握影响高聚物熔体剪切粘度的因素； （5）聚合物熔体的弹性现象和原因； （6）了解拉伸流动；
聚合物流动曲线的解释
缠结理论解释：缠结破坏与形成的动态过程。 ⅰ第一牛顿区： 切变速率足够小，高分子处于高度 缠结的拟网结构，流动阻力大；缠结结构的破坏 速度等于形在的速度，粘度保持不变，且最高。 ⅱ假塑性区：切变速率增大，缠结结构被破坏， 破坏速度大于形成速度，粘度减小，表现出假塑 性流体行为。 ⅲ 第二牛顿区 ：切变速率继续增大，高分子中缠结 构完全被破坏，来不及形成新的缠结，体系粘度 恒定，表现牛顿流动行为。
流Hale Waihona Puke 的表观粘度随剪切应力的增加而降低。即剪切变稀。
例子：橡胶、绝大多数聚合物、塑料的熔体和溶液。
膨胀性流体：
其表观剪切黏度随剪切速率的增加而提高的一种 非牛顿流体。 流动曲线：非直线的 ，斜率先逐渐变小而后又逐渐变 大的曲线，也不存在屈服应力。 表观粘度会随剪切应力的增加而上升。即：剪切变稠。 如：固体含量高的悬浮液、较高剪切速率下的PVC糊塑 料。
非牛顿流体的区别与联系
①宾汉流体：需要最小切应力。如油漆、沥青。 ②假塑性流体：切力变稀，大多数聚合物熔体。 ③膨胀性流体：切力变稠，胶乳、悬浮体系等。
3.假塑性和膨胀性非牛顿流体的流变行为
幂律函数方程
n=1牛顿流体， n<1假塑性流体， n>1 膨胀性流体
聚合物熔体
的普适流动曲线
式中，ηa称为非牛顿型流体的表现粘度，单位是Pa· s。显然，在 给定温度和压力下，对于非牛顿型流体，其ηa不是常量；它与剪 切速率有关。倘若是牛顿流体，ηa就是牛顿粘度。
构、分子量及其分布、温度、压力、时间、 作用力的性质和大小等外界条件的影响。 如挤出，注射，吹塑等。
热塑性塑料成型过程一般需经历加热塑化、
绝大数高分子成型加工都是粘流态下加工的，
流动成型和冷却固化三个基本步骤。
弹性形变及其后的松驰影响制品的外观，尺
寸稳定性。
一、牛顿流体和非牛顿流体
1、牛顿流体：
凡流动行为符合牛顿流动定律的流体，称
为牛顿流体。牛顿流体的粘度仅与流体分 子的结构和温度有关，与切应力和切变速 率无关。
牛顿流体：水、甘油、高分子稀溶液。
剪切形变 切变速率
dx
dy
， 剪切应力
dt dy
F
A
(s -1 )
dr d ( dx ) d ( dx ) dv
dt dy dt dy
牛顿流动定律：
η ：单位Pa· s
2、非牛顿流体：
宾汉流体： 指一种最早由尤金· 宾汉提出的粘弹性非牛顿流体. 其流动 性为线性.宾汉流体描述为: 此流体只有在达到一个最小剪应力 的临界值才开始流动. 低于此临界 值 宾汉流体表现为普通的弹性体 如在用油漆刷墙时，刷墙的磙子给与油漆 以足够的外力，使油漆处于流动状态并作 为粘性体附着在墙壁上而不会滞留在磙子 上;当油漆离开磙子并不继续受到外力影响 时,便处于普通的弹性体状态附着在墙壁上 不再流动
橡胶工业：门尼粘度：一定温度 100℃ 一定转子
转速下，测未硫化胶对转子转动的阻力。 100 MI 3 4 、100℃，预热3min，转动4min。 门尼粘度越小，流动性越好。
9.2
9.2.1 测定方法
聚合物熔体的切粘度
1、落球粘度计： 测低切变速率下零切粘度。 2、毛细管粘度计：使用最为广泛，可在较宽的范围调节剪 切速率和温度，最接近加工条件。 体的弹性和不稳定流动现象。 还可研究聚合物流
聚合物普适流动曲线分三个区域
1、第一牛顿区
低切变速率，曲线的斜率n＝1，符合牛顿流动定律。
该区的粘度通常称为零切粘度。 2、假塑性区(非牛顿区) 流动曲线的斜率n<1，该区的粘度为表观粘度ηa，随着 切变速率的增加，ηa值变小。通常聚合物流体加工成型 时所经受的切变速率正在这一范围内。 3、第二牛顿区 在高切变速率区，流动曲线的斜率n＝1，符合牛顿流动 定律。该区的粘度称为无穷切粘度或极限粘度η∞。 从聚合物流动曲线，可求得η、η∞和ηa。
宾哈流体因流动而产生的形变完全不能恢复而作为永久变形保存下来， 即这种流动变形具有典型塑性形变的特征，故又常将宾哈流体称为塑 性流体。
假塑性流体： 其表观剪切黏度随剪切速率的增加而减小的一种非牛顿流 体 ，非牛顿流体中最为普通的一种。 流动曲线：流动曲线不是直线，而是一条斜率先迅速变大 而后又逐渐变小的曲线，而且不存在屈服应力。
3、旋转粘度计：
有同轴圆筒式、锥板式、平行板式。主要适用于聚合物
浓溶液或胶乳的粘度和聚合物熔体粘度的常用仪器。
落球粘度 计
上式
毛细管粘度计
由牛顿定理推出的泊肃叶（Pineville）公式作为理论基础
PR 4 t
8lV
动能校正
PR 4 t
8lV
m
V 8lt
引
流变学：
言
是研究材料流动和变形规律的一门科学。 聚合物流变学： 为高分子成型加工奠定理论基础。 聚合物熔体流动时，外力作用发生粘性流动，同 时表现出可逆的弹性形变。故称之为弹粘体。 聚合物的流动并不是高分子链之间的简单滑移， 而是运动单元依次跃迁的结果。 （蚯蚓蠕动）
它的流变行为强烈地依赖于聚合物本身的结
塑料工业上最常用的熔融指数 MI ：指在一定的
温度下和规定负荷下（ 2160g ）， 10min 内从规 定直径和长度的标准毛细管内流出的聚合物的 熔体的质量，用MI表示，单位为g/10min。 熔体流动速率（MFR）
如PE：190℃，2160g的熔融指数MI190／2160。 一般 MI 越大，流动性越好（ η 小）。但由于不同聚合物 的测定时的标准条件不同，因此不具可比性。 注射级MI大，挤出MI小，吹塑之间。
本章主要教学内容
1.牛顿流体与非牛顿流体 2.聚合物熔体的切粘度
3.聚合物熔体的弹性表现
：
重点及要求
（1）理解和掌握聚合物粘性流动的特点； （2）掌握非牛顿流体的概念和种类及产生的原因；
（3）了解聚合物熔体剪切粘度的主要测定方法；
（4）理解和掌握影响高聚物熔体剪切粘度的因素； （5）聚合物熔体的弹性现象和原因； （6）了解拉伸流动；
聚合物流动曲线的解释
缠结理论解释：缠结破坏与形成的动态过程。 ⅰ第一牛顿区： 切变速率足够小，高分子处于高度 缠结的拟网结构，流动阻力大；缠结结构的破坏 速度等于形在的速度，粘度保持不变，且最高。 ⅱ假塑性区：切变速率增大，缠结结构被破坏， 破坏速度大于形成速度，粘度减小，表现出假塑 性流体行为。 ⅲ 第二牛顿区 ：切变速率继续增大，高分子中缠结 构完全被破坏，来不及形成新的缠结，体系粘度 恒定，表现牛顿流动行为。
流Hale Waihona Puke 的表观粘度随剪切应力的增加而降低。即剪切变稀。
例子：橡胶、绝大多数聚合物、塑料的熔体和溶液。
膨胀性流体：
其表观剪切黏度随剪切速率的增加而提高的一种 非牛顿流体。 流动曲线：非直线的 ，斜率先逐渐变小而后又逐渐变 大的曲线，也不存在屈服应力。 表观粘度会随剪切应力的增加而上升。即：剪切变稠。 如：固体含量高的悬浮液、较高剪切速率下的PVC糊塑 料。
非牛顿流体的区别与联系
①宾汉流体：需要最小切应力。如油漆、沥青。 ②假塑性流体：切力变稀，大多数聚合物熔体。 ③膨胀性流体：切力变稠，胶乳、悬浮体系等。
3.假塑性和膨胀性非牛顿流体的流变行为
幂律函数方程
n=1牛顿流体， n<1假塑性流体， n>1 膨胀性流体
聚合物熔体
的普适流动曲线
式中，ηa称为非牛顿型流体的表现粘度，单位是Pa· s。显然，在 给定温度和压力下，对于非牛顿型流体，其ηa不是常量；它与剪 切速率有关。倘若是牛顿流体，ηa就是牛顿粘度。
构、分子量及其分布、温度、压力、时间、 作用力的性质和大小等外界条件的影响。 如挤出，注射，吹塑等。
热塑性塑料成型过程一般需经历加热塑化、
绝大数高分子成型加工都是粘流态下加工的，
流动成型和冷却固化三个基本步骤。
弹性形变及其后的松驰影响制品的外观，尺
寸稳定性。
一、牛顿流体和非牛顿流体
1、牛顿流体：