rehologic流变

高分子物理实验课之十三聚合物流变实验聚合物材料恒负荷型毛细管流变实验高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三流动的宇宙，变化的世界万物皆流运动是绝对的，静止是相对的。高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三松弛时间谱与测试时间t如果t，i测试的性能为－结构单元i及其以下单元的性能参比物那么高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三流变学基本概念流变学是一门研究材料流动及变形规律的科学。流动→液体→粘性→耗散能量→产生永久形变→无记忆效应→牛顿定律→时间过程变形→固体→弹性→储存能量→形变可以恢复→有记忆效应→胡克定律→瞬时响应∴材料在大变形、长时间应力作用下呈现的非线性粘弹性流变＝“固－液两相性”＝“非线性粘弹性”高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三影响流变行为的因素－概述主链及侧基内因结构组成支链分子量及其分布配方如共混、补强剂、增塑剂外因外部条件温度时间外力的作用性质近程（一级）远程（二级）织态结构影响结构与松弛时间的关系驱动力和围压力高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三一、实验目的1.了解毛细管流变仪研究聚合物熔体流变性能的一般原理，'3.掌握计算剪切应力、剪切速率和表观粘度的方法。4.Bargley修正；Rabinowich修正2.初步掌握XLY-II型流变仪的基本结构和操作技术，高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三二、实验原理推导思路：先将聚合物熔体看作牛顿流体建立流变方程（即剪切应力和剪切速率关联式）然后对流变方程进行非牛顿校正入口校正高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三图13-1熔体在毛细管内的受力示意图（放大）高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三1.剪切应力τ设不可压缩流体在半径为R的圆管中心层流方式流动。半径为r的圆柱流体所受的力是平衡的，进行受力分析：22rrLPr2rPrL∴(1)高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三R－毛细管半径L－毛细管长度W－负荷量R1－料筒半径长度单位：mm(2)∴r＝R时，2122RPRRWLLR由（1）式可见，毛细管中流体受到的剪切应力τr，与流层至管中心的距离r成正比，与压力梯度ΔP/L成正比，毛细管壁处高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三2.牛顿流体的剪切速率'由定义可知牛顿流体的剪切速率为：v（r）为流体的线速度，是r的函数。'()2WWdvrPrdrL(3)当r＝R时有：'2WPRL(4)高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三对于上式积分并加上边界条件得：()0rRvr()2RRrrPdvrrdrL2222()()[1()]44PPRrvrRrLLR(5)从管道的微小环面积2π·r·dr来看，通过它的微小流出量可以用下式表示：2()dQrvrdr(6)()2PdvrrdrL展开(3)式：高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三将（6）式两边积分得：02()RQrvrdr2202()4RPrRrdrL由（4）式和（7）式可得：3'4WRQ2'13344WRQRRR－毛细管半径R1－料筒半径V－柱塞下降速度(8)43824RPPRRQLL(7)高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三3.牛顿流体的表观粘度ηa牛式中W为所加砝码的重量（单位，牛顿）。2'1()8WaWWRVLR牛(9)应当指出，式（8）、式（9）中的结果仅适用于牛顿流体，由于绝大数的聚合物熔体属于非牛顿流体，故要对式（8）和式（9）进行必要的修正，即Rabinowitsch修正。高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三(二)Rabinowitsch修正-非牛顿修正聚合物流体不是牛顿流体，一般为假塑性流体。其流动行为符合幂律方程：n－流体的流变指数（或称非牛顿指数）K－流体的稠度nWWK1nWaK牛(10)所以需要进行校正Rabinowitsch校正高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三将（1）式代入（10）式得：111()))22nnnWdvrPrPrdrKLKL（（(11)当r＝R时（11）式有：1)2nWPRKL（(12)积分（11）式并代入边界条件：111()()()()21nnnnnPnvrRrKLn(13)推导过程如下：高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三与牛顿流体相同，非牛顿流体的流量为：2()dQrvrdr式(13)中的n＝1，k＝η，则变回上述牛顿流体的体积流量式(7)。两边分别积分得：02()RQrvrdr131()()231nnnPnRKLn(14)13()()231nPRnRKLn高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三整理(8)和(14)式，得到非牛顿流体切变速率Ýw与牛顿流体切变速率Ýwˊ之间的关系是:由该式可以看出对于假塑性流体n1，故非牛顿流体的切变速率大于牛顿流体的切变速率。式中n＝dlnτw/(dln),通常是计算lnτw～ln流动曲线的斜率得到的。'W'W'W'W'33131()4WWnQnnRn(15)拉宾诺维奇（Rabinowitsch）校正(非牛顿校正)高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三2、入口校正为什么进行入口校正？理论推导实验结果滑移－不是稳定层流热效应－损失能量压缩性－耗能，流线变化出口效应入口损失误差原因包括主要原因重物的压力是否全部消耗在毛细管中？高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三熔体撞击毛细管入口处的示意图流体由大口径突然碰到小口径发生能量损失碰击能量的损失流线急剧变化，各流层间的内摩擦加大流动方向上产生流动梯度，引起弹性形变入口处高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三入口损失入口压力降入口能量损失入口校正Bargley校正注意：在毛细管入口处发生的能量损失，表现为一定的压力损失毛细管两端的真实压力差==实际测得的压力--能量损失造成的压力差高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三Bagley认为，上述能量损失产生的效果相当于产生一段额外的毛细管长度e•R，即总压力降作用的有效长度要比毛细管的实际长度长，并提出了修正式：2wRPLeR正(16)e为修正因子，其值相当于总压力降为零时的L/D(流量恒定)。用长径比比较大的毛细管(一般L/D40)时，入口压力降与毛细管中流动的压力降相比可以忽略，可以不引入入口校正，直接用（2）式计算τw值。高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三(三）弹性效应的表征还有可逆的高弹形变流动过程（挤出、压延）中不仅有真实的流动不可逆的塑性形变弹性恢复出口膨胀挤出胀大现象巴拉斯效应高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三表示弹性记忆效应大小的参数B值影响因素口型长径比口型入口角压出膨胀比或膨胀率B0DB=D压出物直径口型直径内因外因压出速度压出切变速率结构组成高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三三、实验仪器加压系统是由1:10的杠杆机构，连接砝码的是动滑轮结构，不加砝码时托盘等相当于总重为0.5kg的砝码，毛细管长径比(L/D):5/1，10/1，20/1，40/1，升温速度1~6℃/min，07以上--升温最快走纸速度可调，单位mm/h.高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三注意：1.每次实验后清理料筒及工具。2.避免空气对流，保持恒温。3.避免摔、碰机器和工具，防止损坏。一、数据记录二、操作记录在课本表5中样品名称日期实验温度毛细管直径长径比系统负荷走纸速度ΔY值、ΔX值=(砝码质量+1)×20高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三四、数据处理1.处理步骤原始数据分别求对数柱塞下降速度体积流量剪切应力剪切速率表观剪切粘度作图分析高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三2.柱塞下降速度的确定：图13-3柱塞的形成与时间变化关系图高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三1.剪切速率2.剪切应力(/)vXXvmmstY走纸柱塞3600Q=SV2231()100()100(/)cmmmvXQVmmsY21走纸S=R36'34WQR222214229.8/222109.8()9.8(10)2102wPRRWRmmMKgmsLLRLmmmmRMNMRPaLmmL高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三五、思考题分别讨论分子量、分子量分布、支化以及温度对聚合物表观粘度的影响。为什么要进行Bagley修正和Rabinowitsch修正？如何用恒负荷型流变仪进行Bagley修正？恒速率型与恒负荷型流变仪的根本区别是什么，各有什么优缺点？高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三六、应用在合成上的应用在加工工艺上的应用力学状态变化的测定高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三13－4聚乙稀塑化曲线高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三Bargley校正因子计算示意图