聚合物的流变性质讲稿.ppt
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1、关于聚合物的流变性质关于聚合物的流变性质第一页,讲稿共五十三页哦 熔融加工是最常见的加工形式,在加工过程熔融加工是最常见的加工形式,在加工过程中,聚合物都要产生流动和形变。中,聚合物都要产生流动和形变。聚合物的形变包括:聚合物的形变包括:弹性形变、塑性形变和粘弹性形变、塑性形变和粘性形变性形变 影响形变的因素:影响形变的因素:聚合物结构与性质、温度、聚合物结构与性质、温度、力、时间和组成力、时间和组成。流变学(Rheology):研究物质形变与流动的科学聚合物熔体的流变行为很复杂,包括:粘性流动、弹性效应、热和熵的变化第二页,讲稿共五十三页哦第一节 聚合物熔体的流变行为 定义:定义:材料受力后
2、产生的形变和尺寸改变称为材料受力后产生的形变和尺寸改变称为应变应变。单位时。单位时间内的应变称为间内的应变称为应变速率应变速率(或速度梯度或速度梯度),可以表示为:,可以表示为:应变方式和应变速率与所受外力的性质和位置有关,可应变方式和应变速率与所受外力的性质和位置有关,可分为以下分为以下三种流动方式三种流动方式:剪切流动剪切流动:聚合物加工时受到剪切力作用 拉伸流动拉伸流动:聚合物在加工过程中受到拉伸应力作用:聚合物在加工过程中受到拉伸应力作用 静压力的均匀压缩静压力的均匀压缩(主要影响粘度)(主要影响粘度)第三页,讲稿共五十三页哦 实际的流动通常是两种或多种流动的迭加。实际的流动通常是两种
3、或多种流动的迭加。聚合物流体可以是处于聚合物流体可以是处于Tf f或或Tmm以上的以上的熔体熔体,也可以是在不高温度下仍保持为流动液体的聚合物也可以是在不高温度下仍保持为流动液体的聚合物溶液或悬浮体。溶液或悬浮体。熔体流变性质主要表现是粘度的变化,根据流动过程熔体流变性质主要表现是粘度的变化,根据流动过程聚合物粘度与应力或应变速率的关系,可将聚合物粘度与应力或应变速率的关系,可将 聚合聚合物的流动行为分为两大类物的流动行为分为两大类:牛顿流体牛顿流体和和非牛顿流体。非牛顿流体。第四页,讲稿共五十三页哦一、牛顿流体及其流变方程 牛顿流体的流变学方程牛顿流体的流变学方程牛顿流体的流变学方程牛顿流体
4、的流变学方程:第五页,讲稿共五十三页哦牛顿流体流动时的应力应变关系和粘度对剪切速率的依赖性第六页,讲稿共五十三页哦 在应力作用的时间在应力作用的时间t1t2内,应力引起的总应变内,应力引起的总应变可由下式求得:可由下式求得:第七页,讲稿共五十三页哦牛顿流体的特点I.液体的应变随应力作用时间线形增加。液体的应变随应力作用时间线形增加。II.牛顿流体中的应变具有不可逆性质,应力牛顿流体中的应变具有不可逆性质,应力解除后应变以永久形变保持下来,这是纯解除后应变以永久形变保持下来,这是纯粘性流动的特点。粘性流动的特点。第八页,讲稿共五十三页哦 定义定义定义定义:流变行为不服从牛顿定律的流动称为:流变行
5、为不服从牛顿定律的流动称为非牛顿型流动非牛顿型流动,具有这种流动行为的液体称为,具有这种流动行为的液体称为,具有这种流动行为的液体称为,具有这种流动行为的液体称为非牛非牛非牛非牛顿流体顿流体顿流体顿流体。特点特点:在宽广的剪切速率范围内,这类液体流动:在宽广的剪切速率范围内,这类液体流动:在宽广的剪切速率范围内,这类液体流动:在宽广的剪切速率范围内,这类液体流动时,剪切力和剪切速率不再成比例关系,液体的粘时,剪切力和剪切速率不再成比例关系,液体的粘时,剪切力和剪切速率不再成比例关系,液体的粘时,剪切力和剪切速率不再成比例关系,液体的粘度不是一个常数(大分子长链和缠结)。度不是一个常数(大分子长
6、链和缠结)。度不是一个常数(大分子长链和缠结)。度不是一个常数(大分子长链和缠结)。不同类型的非牛顿流体其粘度对剪切速率的依不同类型的非牛顿流体其粘度对剪切速率的依不同类型的非牛顿流体其粘度对剪切速率的依不同类型的非牛顿流体其粘度对剪切速率的依赖性不同。赖性不同。赖性不同。赖性不同。二、非牛顿流体及其流变行为第九页,讲稿共五十三页哦不同类型流体的流动曲线和粘度剪切速率关系第十页,讲稿共五十三页哦非牛顿流体的应力应变关系曲线注:剪应力在注:剪应力在t1t2衡定衡定第十一页,讲稿共五十三页哦非牛顿流体受外力作用时的流动行为特征n n剪应力和剪切速率间通常剪应力和剪切速率间通常剪应力和剪切速率间通常
7、剪应力和剪切速率间通常不呈比例关系不呈比例关系不呈比例关系不呈比例关系,因而剪切速,因而剪切速,因而剪切速,因而剪切速度对剪切作用有依赖性;度对剪切作用有依赖性;度对剪切作用有依赖性;度对剪切作用有依赖性;n n非牛顿性是粘性和弹性行为的综合,流动过程中非牛顿性是粘性和弹性行为的综合,流动过程中包含着包含着不可逆形变和可逆形变不可逆形变和可逆形变不可逆形变和可逆形变不可逆形变和可逆形变两种成分。两种成分。两种成分。两种成分。第十二页,讲稿共五十三页哦非牛顿流体分非牛顿流体分非牛顿流体分非牛顿流体分类类类类1 1 1 12 2 2 23 3 3 3粘性液体粘性液体粘性液体粘性液体粘弹性液体粘弹性
8、液体粘弹性液体粘弹性液体时间依赖性时间依赖性时间依赖性时间依赖性液体液体液体液体流体行为函数流体行为函数流体行为函数流体行为函数表达式表达式表达式表达式应变特征应变特征应变特征应变特征不可逆形变不可逆形变不可逆形变不可逆形变(即粘性流动)(即粘性流动)(即粘性流动)(即粘性流动)不可逆形变不可逆形变不可逆形变不可逆形变(粘性流动)(粘性流动)(粘性流动)(粘性流动)与可逆形变与可逆形变与可逆形变与可逆形变(弹性回复)(弹性回复)(弹性回复)(弹性回复)迭加迭加迭加迭加与粘弹性液与粘弹性液与粘弹性液与粘弹性液体相同但应体相同但应体相同但应体相同但应变还与应力变还与应力变还与应力变还与应力作用时间
9、有作用时间有作用时间有作用时间有关关关关第十三页,讲稿共五十三页哦(一)粘性液体及其指数定律 包括包括假塑性液体、膨胀性液体假塑性液体、膨胀性液体和和宾汉液体宾汉液体。指数定律方程:指数定律方程:稠度稠度第十四页,讲稿共五十三页哦 多数聚合物熔体以及所有聚合物在良性多数聚合物熔体以及所有聚合物在良性溶剂中的溶液都属于溶剂中的溶液都属于假塑性液体假塑性液体。给定的给定的范围内范围内 或或 K K是稠度,是稠度,n n是流动指数。是流动指数。log=logK +n log loga=logK +(n-1)log 第十五页,讲稿共五十三页哦n n牛顿流体牛顿流体:为一常数为一常数n n假塑性液体假塑
10、性液体:剪切速率的变化要比应力变:剪切速率的变化要比应力变化得快,剪切粘度逐渐减小。化得快,剪切粘度逐渐减小。n n膨胀性液体膨胀性液体:剪切速率的变化要比应力变化:剪切速率的变化要比应力变化得慢,剪切粘度逐渐增大。得慢,剪切粘度逐渐增大。n n宾汉液体宾汉液体:当:当y y时,液体表现出与牛顿流时,液体表现出与牛顿流体相似的复合型流体。体相似的复合型流体。第十六页,讲稿共五十三页哦不同类型液体的log-log关系11牛顿液体,斜率牛顿液体,斜率n=1;n=1;22膨胀性液体(服从膨胀性液体(服从指数定律),指数定律),n1;n1;33假塑性液体(服从假塑性液体(服从指数定律),指数定律),n
11、1;n1;44假塑性液体(不服从假塑性液体(不服从指数定律),指数定律),n 1n BCB第二十九页,讲稿共五十三页哦有两种类型:有两种类型:n n触变性液体(摇溶性流体)触变性液体(摇溶性流体):定温下表观粘:定温下表观粘度随剪切持续时间增加而降低的液体。度随剪切持续时间增加而降低的液体。原因原因:液体静止时聚合物粒子间液体静止时聚合物粒子间形成非永久性缔合形成非永久性缔合,粘度很大,类似凝胶,当外部剪切作用破坏暂粘度很大,类似凝胶,当外部剪切作用破坏暂时交联点时,粘度降低。如时交联点时,粘度降低。如PVC溶胶。溶胶。n n震凝性液体(反触变性液体)震凝性液体(反触变性液体):表观粘度随:表
12、观粘度随剪切时间的增加而增大的液体。剪切时间的增加而增大的液体。原因原因:液体:液体在剪切作用下聚合物粒子间在剪切作用下聚合物粒子间形成非永久性缔合。形成非永久性缔合。两类液体中的两类液体中的粘度变化粘度变化都是都是可逆可逆的。的。第三十页,讲稿共五十三页哦(三)粘弹性液体 粘性流动中粘性流动中弹性行为已不能忽视弹性行为已不能忽视的液体,例的液体,例如聚乙烯、如聚乙烯、PMMA以及聚苯乙烯的熔体等。以及聚苯乙烯的熔体等。液体流动中是以液体流动中是以粘性形变粘性形变为主还是以为主还是以弹性形弹性形变变为主,取决于为主,取决于外力作用时间外力作用时间t与松驰时间与松驰时间t*的的关系。当关系。当t
13、t*时,即外力作用时间比松驰时间时,即外力作用时间比松驰时间长得很多时,液体的总形变中以粘性形变为主。长得很多时,液体的总形变中以粘性形变为主。反之将以弹性形变为主。反之将以弹性形变为主。第三十一页,讲稿共五十三页哦弹性形变的影响因素 流动液体中弹性形变与流动液体中弹性形变与聚合物的分子量聚合物的分子量,外力作用的速度或时间外力作用的速度或时间以及以及熔体的温度熔体的温度等有关。等有关。随分子量增大,外力作用时间缩短(或作用随分子量增大,外力作用时间缩短(或作用速度加快)以及当熔体的温度稍高于材料熔点速度加快)以及当熔体的温度稍高于材料熔点时,弹性现象表现特别显著。聚合物挤出过程时,弹性现象表
14、现特别显著。聚合物挤出过程的出口膨胀就是一种典型的弹性效应。的出口膨胀就是一种典型的弹性效应。第三十二页,讲稿共五十三页哦三、热塑性和热固性聚合物流变行为的比较热塑性热塑性热塑性热塑性热固性热固性热固性热固性加热加热加热加热熔融流动熔融流动熔融流动熔融流动熔融流动熔融流动熔融流动熔融流动变化变化变化变化物理变化物理变化物理变化物理变化无大的化学变化无大的化学变化无大的化学变化无大的化学变化化学变化(交联)化学变化(交联)化学变化(交联)化学变化(交联)形变形变形变形变粘流态产生形变粘流态产生形变粘流态产生形变粘流态产生形变熔融流动熔融流动熔融流动熔融流动固定形变固定形变固定形变固定形变冷却硬化
15、冷却硬化冷却硬化冷却硬化交联交联交联交联重复性重复性重复性重复性可以可以可以可以不可以不可以不可以不可以第三十三页,讲稿共五十三页哦影响热固性聚合物流动性的因素 1.1.剪切速率剪切速率 剪切作用增加了活性分子间的碰撞机会,剪切作用增加了活性分子间的碰撞机会,降低了反应活化能,交联速度增加,粘度增大,降低了反应活化能,交联速度增加,粘度增大,流动性变差。流动性变差。2.硬化速度硬化速度 a a、加热时间加热时间t t的影响的影响的影响的影响 t t增大,增大,增大,增大,减小,减小,减小,减小,增大,流动性降低。增大,流动性降低。增大,流动性降低。增大,流动性降低。第三十四页,讲稿共五十三页哦
16、 b b、硬化时间的影响硬化时间的影响硬化时间的影响硬化时间的影响 T T增大,增大,HH减小,固化速度加快,流动性降低。减小,固化速度加快,流动性降低。减小,固化速度加快,流动性降低。减小,固化速度加快,流动性降低。硬化速度经验公式:硬化速度经验公式:硬化速度经验公式:硬化速度经验公式:3.温度温度 T T升高,加快交联固化过程,升高,加快交联固化过程,升高,加快交联固化过程,升高,加快交联固化过程,增加。而交联前增加。而交联前增加。而交联前增加。而交联前T T升高,升高,升高,升高,降低,所有低温时,降低,所有低温时,T T对对对对 影响显著,高温影响显著,高温影响显著,高温影响显著,高温
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