1、流变学复习名词解释流变学 ：研究材料流动及变形规律的科学。熔融指数 ：在一定的温度和负荷下，聚合物熔体每 10min 通过规定的标准口模的质量，单位 g/10min。假塑性流体 ：指无屈服应力 ,并具有粘度随剪切速率增加而减小的流动特性的流体。可回复形变 ：先对流变仪中的液体施以一定的外力，使其形变，然后在一定时间内维持该形 变保持恒定，而后撤去外力，使形变自然恢复。韦森堡效应 &爬杆现象&包轴现象 ：当圆棒插入容器中的高分子液体中旋转时，没有因惯性 作用而甩向容器壁附近，反而环绕在旋转棒附近，出现 沿棒向上爬的“爬杆”现象。第 2 光滑挤出区： 剪切速率持续升高，当达到第二临界剪切速率后，流
2、变曲线跌落，然后再 继续发展，挤出物表面可能又变得光滑，这一区域称为第二光滑挤出区挤出胀大 & 弹性记忆效应： 指高分子被强迫挤出口模时，挤出物尺寸要大于口模尺寸，截面 形状也发生变化的现象。冷冻皮层 ：熔体进入冷模后，贴近模壁的熔体很快凝固，速度锐减，形成冷冻皮层法向应力效应 ：聚合物材料在口模流动中，由于自身的黏弹特性，大分子链的剪切或拉伸取 向导致其力学性能的各向异性，产生法向应力效应。松弛时间 ：是指物体受力变形，外力解除后材料恢复正常状态所需的时间。Deborah数：松弛时间与实验观察时间之比。1时做黏性流体，1时做弹性固体。残余应力 ：构件在制造过程中，将受到来自各种工艺等因素的作
3、用与影响；当这些因素消失 之后，若构件所受到的上述作用于影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与 影响残留在构件内，则这种残留的作用与影响称为残余应力。表观粘度 ：非牛顿型流体流动时剪切应力和剪切速率的比值。表观剪切黏度：表观粘度定义流动曲线上某一点 T与丫的比值。入口校正 ：对于粘弹性流体，当从料筒进入毛细管时，由于存在一个很大的入口压力损失， 因此需要通过测压力差来计算压力梯度时所进行的校正。驻点：两辊筒间物料的速度分布中，在 X *处，物料流速分布中，中心处的速度=0,称驻点。本构方程 ：描述应力分量与形变分量或形变速率分量之间关系的方程 ,是描述一大类材料所遵循的与材料结构属性相关的力学
4、响应规律的方程 . 反映流变过程中材料本身的结构特性。 幂律方程 ：用于描述非牛顿型流动行为的方程。粘流活化能 ：E 定义为每摩尔运动单元所需要的能量， 它表征粘度对温度的依赖性， E 越大， 粘度对温度的依赖性越强，温度升高，其粘度下降得越多。第二光滑挤出区 ：当剪切速率继续增大时，熔体在模壁附近会出现“全滑动” ，这时会得到 表面光滑的挤出物，这一区域称为第二光滑挤出区。Weissenberg数：第一法向应力差与剪切应力之比。非牛顿指数 ：在入口收敛流动的边界流线微分方程中，用来表征熔体非牛顿特性的参数。第一法向应力差：沿着流动方向受拉伸，拉抻了的分子链产生最大法向应力 （T 11，使流体
5、处于紧张状态，像有收缩力作用，起到一个“箝住效应” ; 在此同时，由于剪切作用，另一 方面会在垂直于流动方向（垂直于剪切面）产生正向推力（T 22，两者之差就是第一法向应力 差。触变性流体 ：在恒温和恒定的切变速率下，粘度随时间递减的流体。震凝性流体 ：在恒温和恒定的切变速率下，粘度随时间递增的流体。平衡转矩： 胶料混炼时，转矩随物料的不断均化最终达到的平衡值。拉伸粘度拉 ：伸应力与拉伸应变速率之比，表示流体对拉伸流动的阻力。宾汉流体 : 与牛顿型流体的流动曲线均为直线， 但它不通过原点， 只有当剪切应力超过一定 屈服应力值之后才开始塑性流动。牙膏、油漆是典型的宾汉流体。胀塑性流体 : 剪切速
6、率很低时， 流动行为与牛顿型流体基本相同， 剪切速率超过某一临界后， 随剪切速率增大，流动曲线弯向切应力坐标轴，剪切黏度增大，呈现 “剪切变稠 ”的流体。 拉伸流动 ：指物料运动的速度方向在速度梯度方向平行。冻结分子取向 ：因分子取向被冻结而产生的应力称冻结分子取向熔体破裂（破碎）现象 ：高分子熔体从口模挤出时，当挤出速度过高，超过某一临界剪切速 率时，容易出现弹性湍流，导致流动不稳定，挤出物表面粗糙，随挤出速度的增大，可能分 别出现波浪形，鲨鱼皮形，竹节形，螺旋形畸变，最后导致完全无规则的挤出物断裂，称为 熔体破裂现象。拖曳流：指对流体不加压力而靠边界运动产生力场，由粘性作用使流体随边界流动
7、，称Couette 库爱特流动。压力流：指物料在管中流动，是由于管道两端存在压力差，而边界固定不动，称Poiseuille泊肃 叶流动。出口压力降 ：指粘弹性流体在毛细管入口区的弹性形变在经过毛细管后尚未全部松弛， 至出 口处仍残存部分内压力，则将表现为出口压力降。临界切应力 & 临界切变速率 ：一般随剪切速率增大，至一临界值就产生破裂，而且越来越严 重，这个开始产生破裂的速率或应力。残余应力或内应力大 ：若物料冷却速率高，冷却时间短而松弛时间较长，则冷却后有较多应 力被冻结在制品内，称残余应力或内应力大。用于表征高聚物熔体弹性的物理量有： 可回复剪切形变、挤出物胀大、法向应力效应，熔体 破裂
8、等。弹性模量的影响因素： 链结构（分子量、分子量分布、支化） ；加工条件（温度、剪切速率） ； 配方（填料）拉伸流动： 从流变学意义上讲，指物料运动的速度方向在速度梯度方向平行。拉伸粘度： 在稳态单轴拉伸中，即拉伸速率为恒定值，设 x1 为拉伸方向，体系的稳态拉伸 粘度定义为：粘流活化能： E 定义为分子链流动时用于克服分子间作用力以便更换位置所需要的能量，或 者每摩尔运动单元所需要的能量，它表征粘度对温度的依赖性， E 越大，粘度对温度的依赖 性越强，温度升高，其粘度下降得越多。螺杆特性曲线 口模特性曲线 挤出机稳定工作点对同一螺杆改变不同的转速， 将方程 绘在 - 坐标图上得到的一系列具有
9、负斜率的平行直线称 为螺杆特性曲线改变口模大小，将 绘在坐标图上得到的一系列经过原点，斜率不同的直线称为 口模特性曲 线。两组直线的交点就是适于该机头口模和螺杆转速下挤出机的 综合工作点， 该点所对应的 qv 为挤出机在操作条件下的生产率。螺杆转速 ：直线越上越大； 口模尺寸 ：斜率大的大 开炼加工过程压力、速度分布压力度分布：极大值：在x=-入,即在辊距之前极小值：在x=入,p=0,即物料脱离辊筒表面的位置.在 x =-x 0, 物料刚进入辊筒处 , 物料尚未承受压力 . 在最小辊距处 , 即 x =0 处, 即此时物料内压力为极大值的一半 .速度分布两个特殊点:x = X ,vx=v,即压
10、力极大值处和物料脱辊处,物料流速等于辊筒表面线速度, 且速度沿y方向均等分布，保证压出料片速度均匀平稳压出在-X x X ,前方压力小，后 部压力大,压差作用向前,形成正压力流,各层速度大于辊筒表面线速度在x - X ,前方压 力大，后部压力小，形成反压力流，各层流速小于辊筒表面线速度在X处,物料流速分布中， 中心处的速度=0,称驻点在X rcrit，入口区出现强烈的拉伸流，造成的拉伸形变超过熔体 所能承受的弹性形变极限， 强烈的应力集中效应使流道内的流线断裂， 使死角区的环流乘机 进入主流道而混入口模。主流线断裂后，应力局部下降，又会恢复稳定流动，然后再一次集 中弹性形变能，再一次流线断裂。
11、这样交替轮换，主流道和环流区的流体轮番进入口模。两 种形变历史和携带能量完全不同的流体， 挤出时的弹性松弛行为也完全不同， 引起口模出口 处挤出物的无规畸变。对于 HDPE 型熔体，流动时的应力集中效应主要不在口模入口区， 而是发生在口模内壁附近， 口模入口区不存在死角循环。低 r 时，熔体流过口模壁，在壁上无滑移，挤出过程正常。当 r 增高到一定程度，由于模壁附近的应力集中效应突出 ，此处的流线会发生断裂，又因为应 力集中，使熔体贮能大大增加， 当能量累积超过熔体与模壁之间的摩擦力的 P 能承受的极限 时，将造成熔体沿模壁滑移，熔体突然增速，同时释放出能量，释能后的熔体再次与模壁粘 着，从而
12、再集中能量，再发生滑移，这种过程周而复始，造成聚合物熔体在模壁附近时滑时 粘，表现在挤出物上呈现出竹节状或套锥形的有规畸变。剪切粘度影响因素：1、链结构 ：前面已经介绍过聚合物的流动是分段进行的，是通过链段相继移动，导致分子 链重心沿外力方向移动，从而实现流动，因此分子间作用力小，分子链柔顺性大，分子链中 链段数越多而且越短，链段活动能力越大，钻孔洞容易，通过链段活动产生的大分子相对位 移的效果也越大，流动性越好。2、加工条件：粘度对切变速率依赖性与生产实践的关系 前面已介绍的切力变稀对高分子材料的加工具有重要意义。在炼胶，压延，挤出时，胶料流动速度快，切变速率，切应力较大， 丫高，粘度低，流
13、动性好，生产快，而当流动停止时，粘度变得很大，有良好的挺性，半成品停放时不易变形， 不会发粘，有利于提高质量。粘度降低，使熔体易于加工，在填充模具时易流过窄小的流道，而且使得注射机，挤出机 运转时所需能量减小。3、配方： 填充补强材料和软化增塑材料A碳黑的影响碳黑用量 粒径 结构性的影响原因: 碳黑粒子为活性填料 ,表面可吸附几条大分子链 ,形成类缠结点 , 阻碍大分子链运动和 滑移,体系粘度上升 ,碳黑用量越多 ,缠结点越多 ,流动阻力增大 .在用量相等的情况下 ,粒径 小的,表面积大,橡胶与碳黑相互作用增强 ,粘度增大 .B 碳酸钙影响属于无机填料 , 降低成本右图对PP影响,随碳酸钙 用
14、量增加粘度增大原因：刚性粒子，不容易变形，阻力增大,又会增大分子链与碳酸钙颗粒间的摩擦作用.C增塑剂影响主要用于粘度大 熔点高难加工的高填充体系，降低粘度 改善流动性在低剪切速率下，分子量分布宽粘度反而大的原因 ：当剪切速率较小时，分布宽者，一些特 长的分子相对较多，可形成缠结结构比较多，故粘度比较大，当剪切速率增大时，分子量分 布宽的试样中，由于缠结结构较高，且易被较高的剪切速率破坏，开始出现“切力变稀”的 丫c值较低，而且越长的分子随剪切速率增加对粘度下降的贡献越大。而分子量相同且分子 量分布较窄的试样，必然特长的分子数目较少，体系缠结作用不如分子量分布宽的大，故受 剪切作用而解缠结的变化
15、不那么明显，出现切力变稀的剪切速率 较高，而且随剪切速率增大粘度的降低较少。入口校正的原理：实际切应力的减小与毛细管有效长度的延长是等价的常用的聚合物流变仪有：毛细管型流变仪、转子型流变仪、组合式转矩流变仪、振荡型流变仪、落球式黏度计、其他类型流变仪（拉伸流变仪、缝模流变仪和弯管流变仪等）流变测量的目的：（1）物料的流变学表征。（2）工程的流变学研究和设计。（3）检验和指导 流变本构方程理论的发展。毛细管流变仪原理：根据测量原理的不同，毛细管流变仪分为恒速型和恒压型两类，恒速型 仪器预置柱塞下压速度为恒定，待测定的量为毛细管两端压差，恒压型仪器预置柱塞前进压 力为恒定，待测量为物料的挤出速度即
16、流量。毛细管流变仪主要优点：（1）操作简单，测量准确，测量范围广（2）毛细管中物料的流动 与某些加工成型过程中物料流动形式相仿，因而具有实用价值； （3）不仅可测量物料的剪切 粘度，还可通过对挤出行为的研究，讨论物料的弹性行为。 缺点：（1） t、r随毛细管半 径而变；（2）不能测定与时间相关的粘弹特性；（3）存在较多误差，精度不高。毛细管流变仪应用：（1）聚合物剪切粘度的研究（2）聚合物熔体弹性的研究转矩流变仪基本结构：流变仪主体、混合测量装置、电控仪表系统原理：采用混合器测试时，高聚物以粒子或粉末的形式自加料口加入到密闭混炼室中，物料 受到上顶栓的压力，并且通过转子表面与混合室壁之间的剪切
17、、搅拌、挤压，转子之间的捏 合、撕扯，转子轴向翻捣、捏炼等作用，实现物料的塑化、混炼，直至达到均匀状态。实验中通过记录物料在混合过程中对转子产生的反扭矩以及温度随时间的变化， 来研究物料在加 工过程中的分散性能、流动行为及结构变化。 优点：可模拟多种高分子材料实际加工过程，如小型密闭式混合器，小型螺杆挤出器 用途：原材料的检验与研究聚合物交联过程研究高分子材料的熔融塑化行为高分子材 料的热稳定性反应性加工过程的反应程度流动与材料烧焦的关系增塑剂的吸收特性 热固性塑料的挤出行为等.高聚物的粘性流动的特点： 1. 流动机理是链段相继跃迁 2. 流动粘度大，流动困难，而且 粘度不是一个常数 3. 流
18、动时有构象变化，产生“弹性记忆”效应 影响挤出胀大效应的因素 ：链结构、配方、切变速率与温度。挤出胀大原因： 一是入口效应，物料进入口型之前，由于机腔直径较大，流动速率小，进入 口型后，直径较小，流动速率大，在口型入口处的流线是收敛的，所以在口型入口处出现沿 流动方向的速度梯度，对胶料产生拉伸力，使分子链部分拉直，如果在口型有足够的停留时 间，则部分拉直了的分子链还来得及松弛，即来得及消除弹性形变，不把它带出口型之外， 只带出真正的塑性形变，挤出后没有胀大现象，然而，由于挤出时流速快，虽然在口型中流 动方向的速度梯度已不复存在， 但因为停留时间较短， 部分拉直了的分子链来不及在口型里 松弛，即
19、把弹性形变带出口型外， 所以挤出后，流动突然停止， 部分伸直了的分子链很快的， 大部分地，卷曲回缩，然后挤出物停放时又进一步卷曲回缩，挤出物直径，厚度增大，长度 缩小。二是高聚物在口型中的剪切流动也伴随有高弹性变，即在口型中稳定流动时，由于 切应力，法向应力差，使分子链构象变化，导致弹性形变，挤出后回复产生膨胀现象。 流变指数 n 表征非牛顿流体与牛顿流体之间的差异程度，当 n=1 时，即为牛顿粘度定律， k= n o，当n1时，则为胀塑性体，可见，n与1之差，可作为流体 的非牛顿性的量度指标，n值越小，偏离牛顿型越远，粘度随丫增大而降低越多，流变性越 强。挤出过程的设备由两部分组成 :一挤压
20、部分、一部分是机头口型部分对挤出成型过程做如下假设：A.设被加工物料为不可压缩的牛顿流体，物料在螺槽的流动是 连续的等温的稳定层流；B.设物料在挤出机内承受的压力梯度沿螺杆轴向为定值 ，同时假定该 梯度沿z和x方向的分量也为定值；C.物料沿机筒和螺槽表面无滑移，并忽略重力和惯性力的 影响.稳定挤出的措施： (1) 加料口供料速度必须均匀 .(2)减少螺槽深度 h 和减少机筒与螺杆突棱的间隙S . （3）调节机头流通系数（4）适当降低挤出温度（5）适当增加螺杆长度 注塑过程：主要设备:柱塞或螺杆式往复注射机过程：合模引料阶段；充模阶段；保压阶段；倒流阶段；凝封阶段；冷却阶段；开模阶段 注射机及模
21、具的功能区段可分为 3个区段： 塑化段:同挤出机，物料在其中熔融 塑化压缩并向前输送注射段:由喷嘴主流道 分流道 浇口组成，物料在其中的流动如同毛细管流变仪充模段:熔体进入模腔后，发生复杂的三维流动以及不稳定传热 相变固化等过程注射过程充模压力降越小越好原因：A可减少模塑制品内的冻结应力，提高制品的尺寸稳定 性B可降低锁模压力，提高安全系数。对于冷模更重要。要使压力降尽可能小，可采取的措施有：提高熔体温度和提高模具温度，两者均可使C降低, 尤其当熔体温度升高后，粘度降低，更有利于注射。此外，选择凝固温度低的物料和热扩散 系数小的物料，均有利于加工。残余应力种类：（1）的骤冷应力（2）由-A模伴
22、随骤冷淬火产生于制品的几何形状 所造成的各部分收 缩不均匀而产生的构型体积应变，与 筒内加热塑化，模板闭合，物料开始向入模方向移动，但仍未入模腔，模腔内的压力非常低（1）可通过热处理消除。（3）因分子取向被冻结而产生的应力，称冻结分子取向。第一阶段:合模引料阶段:物料在料m h-3典的朝序圈1柑濮前遊时糾煜 令權时时冋注-践余乩小 8充帳时间擁压时窗m 沏沆网问；*坤口吋问； / - KiiJli冷却时阳1J 1?!T11VIV 1IfflK 2辻册迅胖松綁示总国.第二阶段:充模阶段：熔体开始进入模腔内，模内压力逐渐上升第三阶段：保压阶段：因为喷嘴压力高于模腔压力，所以熔体仍可缓慢进入模腔内，
23、以补充熔体 在模内冷却收缩后所用的物料，使制品进一步密实第四阶段:倒流阶段：由于柱塞后退,柱塞压 力立即消失，喷嘴内的压力也迅速下降为 0,但此时模腔内的压力要高于流道中的压力，所以浇 口内尚未凝固的熔体有可能倒流，直到浇口内熔体凝固为止.第五阶段：凝封阶段：没有明显的时间间隔，当上述倒流阶段结束后，也就到了凝封时间，这时由 于浇口冻结，模内压力不能继续下降.第六阶段：冷却阶段:这一阶段持续到物料的温度下降到非晶性高聚物的玻璃化转变温度或结晶性高聚物的熔融温度，使链段运动冻结起来.第七阶段：开模阶段:残余应力 问：给出PVC典型的转矩随时间变化曲线，曲线中各峰代表的含义?图中A为加料峰，此时物
24、料较冷，自 由旋转的转子受到来自固体粒子或粉 末的阻力，转矩急剧上升，当此阻力 被克服后，转矩开始下降并在较短的 时间内达到稳态，当粒子表面开始熔 融并发生聚集时，转矩再次升咼，达 到塑化峰P，与P对应的时间为塑化 时间tp,Mp为最大塑化转矩。在热 的作用下，粒子内核慢慢熔融，转矩随之下降，当粒子完全熔融后，物料成为易于流动的宏 观连续的流体，转矩再次达到稳态，扭矩趋于平衡M b。经过一段时间后，在热和力的作用 下，随着交联或降解的发生，转矩会有大幅度的升高或降低。td为分解时间.可见，一条曲 线清晰地描述了PVC加工塑化全过程. 在实际加工过程中，第一次转矩最大值对应的时间非常短，很少能观察到。转矩第二次达到稳态所需的时间通常为 3-15min9 5 儿种不R人口 X彩或的口按口模入口角对LDPE型熔体的挤出破裂行为影响大。
