楊成玉流變學導論-1

1、匯報人：楊成玉2011年10月23日,聚合物流變學導論,學習交流報告 匯報人：楊成玉,2,匯報提綱,Introduction to RheologyCotent of Polymer RheologyMethod of Polymer RheologyThe Basis of Viscoelastic MaterialsStates of MatterThe Mai

2、n Rheological Behavior of Polymer,學習交流報告 匯報人：楊成玉,3,Introduction to Rheology,什么是流變學？流變學是物理學的一個分支，是主要研究材料在外界作用(應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、電場、磁場、輻射等)下的變形和流動的科學Rheology is “ the study of the flow and deformatio

3、n of all forms of matter.”——E. C. Bingham, M. Reiner Apr. 29th, 1929“Everything Flows” 萬物皆流 ——Heraclitus (赫拉克利特, 紀元前五世紀的希臘哲學家),學習交流報告 匯報人：楊成玉,4,Introduction to Rheology,Genesis of Rheol

4、ogy英國物理學家麥克斯韋（1869年）材料可以是彈性的，又可以是粘性的對于粘性材料，應(yīng)變相同的情況下，應(yīng)力不能保持恒定，而是以某一速率減小到零，其速率取決于施加的起始應(yīng)力值和材料的性質(zhì)。這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛許多學者還發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力雖然不變，材料棒卻可隨時間繼續(xù)變形，這種性能就是蠕變或流動一切材料都具有時間效應(yīng)，于是出現(xiàn)了流變學1929年，美國在賓漢教授的倡議下，創(chuàng)建流變學會，隨后荷蘭、英國相繼出現(xiàn)了流變學會1948年國際流變

5、學會議就是在荷蘭舉行法國、日本、瑞典、澳大利亞、奧地利、捷克斯洛伐克、意大利、比利時等國也先后成立了流變學會,學習交流報告 匯報人：楊成玉,5,Introduction to Rheology,Examples for Applications of RheologyPolymerPlastics; Rubbers; Fibers; Adhesives（粘合劑）; Coa

6、tings（涂料）…- Melts: Injection; Extrusion; Thermoforming （熱加工）......- Solids: Mechanical Properties ; Deformation; Fracture......Biology, MedicineMedicament(藥劑); Hemorheology（血液流變學） ; Muscle ……Chemical EngineeringGe

7、ology，RockOthers: Drilling muds（鉆探泥漿）, Cement（水泥）……,學習交流報告 匯報人：楊成玉,6,匯報提綱,Introduction to RheologyCotent of Polymer RheologyMethod of Polymer RheologyThe Basis of Viscoelastic Materials

8、States of MatterThe Main Rheological Behavior of Polymer,學習交流報告 匯報人：楊成玉,7,Cotent of Polymer Rheology,聚合物的結(jié)構(gòu)和聚合物的材料加工，及測定方法和實際應(yīng)用聚合物流變行為與數(shù)學模式（應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系式或應(yīng)力和應(yīng)變速率的關(guān)系式）不同溫度、壓力、化學環(huán)境對聚合物流變行為的影響

9、分子量、分子結(jié)構(gòu)、添加劑的濃度對聚合物性能的影響聚合物流變性能的表征和測定方法聚合物流變學的實際應(yīng)用,學習交流報告 匯報人：楊成玉,8,匯報提綱,Introduction to RheologyCotent of Polymer RheologyMethod of Polymer RheologyThe Basis of Viscoelastic Materials

10、States of MatterThe Main Rheological Behavior of Polymer,學習交流報告 匯報人：楊成玉,9,Method of Polymer Rheology,理論模擬宏觀法（經(jīng)典的唯象研究方法）將聚合物看作由連續(xù)質(zhì)點組成，材料性能是位置的連續(xù)函數(shù)，研究材料的性能是從建立粘彈模型出發(fā),進行應(yīng)力-應(yīng)變或應(yīng)變速率分析純彈性物體，可以

11、用胡克定律來描述，對于牛頓流體，可以用“應(yīng)力＝粘度×應(yīng)變速率”來描述微觀法（分子流變學方法）從分子運動的角度出發(fā)，對材料的力學行為和 分子運動過程進行相互關(guān)聯(lián)，提出材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀流變行為的聯(lián)系,學習交流報告 匯報人：楊成玉,10,Method of Polymer Rheology,實驗流變學通過各種流變儀，包括擠出式流變儀，旋轉(zhuǎn)式流變儀，振蕩式流變儀，轉(zhuǎn)矩

12、流變儀，拉伸流變儀來測量不同剪切應(yīng)力下，流體粘度、流速等的變化，再進行分析，從中得出該物質(zhì)的模量、分子量等重要性質(zhì)加工流變學聚合物加工操作單元的流變學分析（擠出、注射、紡絲）異常流變行為（擠出脹大、熔體破裂、拉伸共振、壁滑等）多相高分子體系的流變學規(guī)律,學習交流報告 匯報人：楊成玉,11,匯報提綱,Introduction to RheologyCotent of P

13、olymer RheologyMethod of Polymer RheologyThe Basis of Viscoelastic MaterialsStates of MatterThe Main Rheological Behavior of Polymer,學習交流報告 匯報人：楊成玉,12,The Basis of Viscoelastic Materials

14、,牛頓粘性粘度為一常數(shù)的流體稱為牛頓流體，應(yīng)力正比于應(yīng)變，應(yīng)變隨時間成線性發(fā)展流體在流動時，存在著流體與固體表面的附著力和流體內(nèi)部分子間的作用，流體不斷發(fā)生剪切變形，流體的粘滯性就是流體抵抗剪切變形的能力，簡稱流體的粘性粘度是流體粘滯性的度量，用以描述流動時的內(nèi)摩擦大小，也就是說流體內(nèi)部分子間作用力越大，流體的粘滯性越大，流動時內(nèi)摩擦越大，流體粘度也就越大,學習交流報告

15、匯報人：楊成玉,13,The Basis of Viscoelastic Materials,胡克彈性1678年，胡克假定“任何一根彈簧的力與由此產(chǎn)生的伸長成正比”即胡克彈性定律胡克定律表示材料在受力時應(yīng)力與應(yīng)變之間存在線性關(guān)系，線性彈性也稱胡克彈性在物體上施加外力，產(chǎn)生瞬時變形，除去外力，變形立即消失，這種與時間無關(guān)的變形稱為彈性變形，物體具有彈性變形的性質(zhì)稱物體的彈性，也就是狹義的彈性叫胡克彈性或線性彈性,學習交流報告

16、 匯報人：楊成玉,14,The Basis of Viscoelastic Materials,粘性和彈性的轉(zhuǎn)化傳統(tǒng)觀念中，固體毫無疑問是彈性的，流體是粘性的，然而他們卻是材料屬性不可分割的兩部分，相互依存，相互轉(zhuǎn)化粘彈體在外力作用下哪一種性質(zhì)占優(yōu)勢，依賴于應(yīng)力和施加應(yīng)力的持久性，在一個實驗中，假若實驗相對緩慢，樣品似乎呈現(xiàn)粘性而不是彈性，但是假若實驗相對較快，似乎呈現(xiàn)彈性而不是粘

17、性，在中等時間標度，觀察到混合（粘彈性）響應(yīng)流變學的產(chǎn)生，采用流變性儀器就可以在施加非常寬的應(yīng)力范圍，非常寬的頻率譜內(nèi)研究固體的粘性和流體的彈性,學習交流報告 匯報人：楊成玉,15,匯報提綱,Introduction to RheologyCotent of Polymer RheologyMethod of Polymer RheologyThe Basis of V

18、iscoelastic MaterialsStates of MatterThe Main Rheological Behavior of Polymer,學習交流報告 匯報人：楊成玉,16,States of Matter,Small molecules and Polymer,Much more complex behavior,Small molecules,Poly

19、mer,Gas-Water-Ice,學習交流報告 匯報人：楊成玉,17,匯報提綱,Introduction to RheologyCotent of Polymer RheologyMethod of Polymer RheologyThe Basis of Viscoelastic MaterialsStates of MatterThe Main Rheologi

20、cal Behavior of Polymer,學習交流報告 匯報人：楊成玉,18,The Main Rheological Behavior of Polymer,聚合物熔體粘度的剪切速率依賴性牛頓流體的粘度在一定溫度下是常數(shù)，與剪切速率γ無關(guān)假塑性曲線顯示出第一牛頓區(qū)（布朗運動）、剪切稀化區(qū)（剪切作用大于布朗運動作用）、第二牛頓區(qū)（分子鏈的纏繞已經(jīng)完全解體）剪

21、切稀化現(xiàn)象是由于流體中粒子發(fā)生定向、伸展、變形或分散圖中塑性曲線顯示出一個屈服應(yīng)力，當應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時，流體不流動，只發(fā)生切應(yīng)變γ， γ=0,學習交流報告 匯報人：楊成玉,19,The Main Rheological Behavior of Polymer,聚合物溶液的主要彈性表現(xiàn)Rod Climb-up (Weissenberg Effect)Die Swel

22、l (Banus Effect) （擠出脹大）,牛頓流體,非牛頓流體,學習交流報告 匯報人：楊成玉,20,The Main Rheological Behavior of Polymer,聚合物溶液的主要彈性表現(xiàn)Hole Pressure Error（孔壓誤差）粘彈性流體沿凹坑處流動時流線的彎曲引起了彈力張力，這種張力的合力使凹坑底部的壓力減小，而粘性流體則不會由于流線的彎

23、曲而產(chǎn)生張力Tubeless Siphon（無管虹吸）,學習交流報告 匯報人：楊成玉,21,The Main Rheological Behavior of Polymer,聚合物溶液的宏觀流變性靜態(tài)流變（Static Rheology）在一定應(yīng)力或應(yīng)變下對流體實施穩(wěn)態(tài)剪切（Steady Shear）作用，由此研究流體在連續(xù)形變下粘度、應(yīng)力等與應(yīng)變速率之間關(guān)系的方法特點

24、：在一定剪切作用下，聚合物流體在固定的方向上產(chǎn)生形變；主要見于毛細管中流體的流動，或單向旋轉(zhuǎn)剪切時流體的流動從測試角度可實現(xiàn)剪切速率掃描固定剪切速率下的時間掃描,學習交流報告 匯報人：楊成玉,22,The Main Rheological Behavior of Polymer,聚合物溶液的宏觀流變性聚合物溶液非線性粘性的變化在剪切速率不斷變化的情況下，隨著剪切速率的

25、增加，表現(xiàn)出剪切稀釋性和剪切增稠性，這與聚合物分子結(jié)構(gòu)和分子間的各種作用力的作用有關(guān)，包括氫鍵、范德華力、靜電力等以及其他的非分子間作用力,學習交流報告 匯報人：楊成玉,23,The Main Rheological Behavior of Polymer,,聚合物溶液的動態(tài)粘彈性動態(tài)流變（Dynamic Rheology）對流體施加周期性作用，記錄流體在周期性應(yīng)力或應(yīng)變下

26、產(chǎn)生振蕩剪切(Oscillatory Shear)特征的研究方法。周期性的外力通常是正弦波形式實驗角度可實現(xiàn)特定應(yīng)力或應(yīng)變下頻率掃描 特定頻率下應(yīng)力掃描或應(yīng)變掃描 特定頻率及特定應(yīng)力或應(yīng)變下的時間掃描,學習交流報告 匯報人：楊成玉,24,The Mai

27、n Rheological Behavior of Polymer,,聚合物溶液的動態(tài)粘彈性應(yīng)力掃描實驗由于動態(tài)測試研究的是聚合物溶液的線性粘彈性，實驗必須在聚合物溶液的線性粘彈性區(qū)域內(nèi)進行線性粘彈區(qū)域可限定為復合模量恒定的振幅區(qū)域內(nèi)在非線性條件下，樣品被破壞到一定程度，分子或聚集體內(nèi)部的瞬時鍵遭到破壞，產(chǎn)生了剪切稀釋，施加的能量大部分變?yōu)闊崮芏豢赡娴膿p失掉因此，首先應(yīng)該進行應(yīng)力振幅掃描實驗，一般采用將頻率固定于1 Hz進行

28、應(yīng)力振幅掃描。在選定能保證樣品安全地處于線性黏彈性區(qū)域的合適振幅后，再進行頻率掃描實驗,學習交流報告 匯報人：楊成玉,25,The Main Rheological Behavior of Polymer,,聚合物溶液的動態(tài)粘彈性頻率掃描實驗基于應(yīng)力掃描實驗的結(jié)果，選擇所要測的不同聚合物溶液均處在線性粘彈區(qū)域的應(yīng)力，進行頻率掃描實驗主要機理就是對溶液施加一個振蕩應(yīng)變，使其

29、在非破壞狀態(tài)下對剪切頻率做出粘彈性響應(yīng)，可以模擬非流動的情況，得到流體的儲能模量和損耗模量，進而可以表征流體的彈性或粘性特征儲能模量低于損耗模量，溶液以粘性為主,學習交流報告 匯報人：楊成玉,26,Question,為什么煮水餃時通常要在湯中放一點鹽巴為好？為什么水餃通常要放在木制案板上？而放在玻璃案板上容易破損？,學習交流報告

30、 匯報人：楊成玉,27,Answer,放鹽巴的目的是防止水餃在煮的過程中破皮，原理是：鹽溶解在水中以后，可以促使溶解的淀粉、蛋白質(zhì)等大分子鹽析出來在水餃表面形成凝膠類結(jié)構(gòu)，提高水餃皮的強度，即減弱了其流變產(chǎn)生的破碎的傾向木板和玻璃板表面特性的差異，造成其對水餃皮的親和作用迥異，在水餃存放期間，玻璃板更加容易和水餃皮經(jīng)水餃皮的流變而相互粘結(jié)在一起，在取動時容易造成破壞,學習交流報告