01 - 流变学基础

旋转流变仪培训教程01流变学基础主要内容流变学测量原理流变学定义剪切流动流变测量仪器流变学测量及其应用粘度测量方法•流动曲线测量及应用•触变性测量及应用•屈服应力测量及应用•拉伸粘度测量及应用粘弹性•粘弹性概念•粘弹性测试方法及应用流变学思想子在川上曰，逝者如斯夫，不舍昼夜。《论语.子罕篇》“pantarhei”(Everythingflows)孔丘，551BC–479BCHeraclitus赫拉克利特(纪元前五世纪的希腊哲学家)LF理想弹性体-Hook‘sLaw(1676)TheresistanceofwhicharisesfromthelackofslipperinessoriginatingInafluid,otherthingsbeingequal,isproportionaltothevelocitybywhichthepartsofthefluidarebeingseparatedfromeachother.IsaacN.Newton(1687)FromRheologyPrinciples,Measurements,andApplicationsByC.W.Macosko,1994,VCHPublishers,page65理想液体-Newton’sLaw（1687）yu流变学成为独立的学科-1929EugeneCookBingham(1878-1945)THENAMEThetermdeformationandflowofmatterisarathercumbersomeonetocoverthesubjectsofelasticity,viscosityandplasticity.Thereisnosinglewordtocoverthefield,sotheonlyrecoursehasbeentoinventone.TheGreekrootstoflowandscience,alreadyfamiliarinnumerouswordssuchasrheostatandgeology,madethetermtheologyappeartobeatthesametimedistinctiveandselfexplanatory.From“RHEOLOGY:ANHISTORICALPERSPECTIVE”，RI.TannerandK.WaltersRheology:rheo(toflow)+logos(science)流变学-Rheology流变学是研究材料流动与变形的学科“thescienceofdeformationandflow”Rheology:rheo(toflow)+logos(science)流变学-Whatisrheology?流动FLOW测量样品粘度流动的阻力样品稠稀样品是否能被泵送实验方法粘度测量（Viscometry）变形DEFORMATION材料在流动之前的行为表征粘弹性VISCOELASTICITY.预测样品性能样品分类样品的稳定性–是否发生沉降?实验方法振荡（Oscillation）蠕变（Creep）,松弛（Relaxation）“thescienceofdeformationandflow”材料流变学参数材料配方微观结构产品使用性能材料加工过程流变学与材料之间的关系医药和个人护理品储存时间,感官知觉,屈服点,凝胶强度等食品Foods口感,储存稳定性,烹饪特性,加工性能,挤出,涂抹等陶瓷工业Ceramics稳定性,泵送性,铸件性能石化产品Petrochemicals润滑剂配方,粘温曲线,钻井液-悬浮体系泵送性能,高温高压下的流动性能高分子材料Plasticsandpolymers注塑,挤出,分子量分布,分子结构表征,玻璃化转变温度等涂料、油墨和油漆Paints,inksandcoatings粘辊飞溅,喷雾,膜厚度,管道输运,垂挂流平,沉降（储存）粘合剂Adhesives固化时间和凝胶点,压敏性能等沥青Asphalt沥青硬度,疲劳,车辙,低温开裂,SHRP标准测试等流变学应用非常广泛剪切流动测试抽象模型基本概念-剪切adbA假设一个立方体的长宽高分别为a，b，d。面积A=ab高=d基本概念-剪切应力（Shearstress）单位面积所受的剪切力（Theappliedforceperunitarea）1N/m2=1Pa)(m(N)2AF剪切应力Pa基本概念-剪切应变（Shearstrain）剪切应变（Shearstrain）被简称为应变（Strain）无量纲，常常用%表示剪切应变无量纲(m)(m)du基本概念-剪切速率（Shearrate）剪切应变速率（Shearstrainrate）或者剪切速率（Shearrate），表示剪切应变快慢单位s-1剪切速率S-1(s)t剪切粘度(Shearviscosity)粘度就是流动的阻力粘度越大，越难流动（蜂蜜，酸奶等）粘度越小，越容易流动（水等）剪切粘度=剪切应力（施加外力）剪切速率（运动速度）Pa.s单位（Unit）PascalsecondPa.s(SI)PoiseP(CGS)1Pa.s=10P,1mPa.s=1cP典型的流动曲线（Flowbehavior）ShearRatee.g.硅油,悬浮液StressShearRate牛顿流体假塑性流体胀塑性流体StressShearRateStressShearRateViscosityViscosityShearRateViscosityShearRatee.g.聚合物熔体e.g.PVC糊等剪切变稀剪切增稠剪切变稀-ShearThinning为什么会剪切变稀?Log.Log平衡分子链缠结点解缠重建没有缠结缠结越多，越难以流动，粘度越大流变学研究仪器-RheologyInstrumentationCapillaryRotational旋转流变仪怎样工作…主要部件是空气轴承组件…包括:拖杯马达Dragcupmotor空气轴承Airbearing位置传感器Positionsensors测量系统Measuringsystem样品Temperaturecontrolledsample旋转流变仪施加剪切在稳态测量模式时，上板向一个方向连续旋转在振荡测试下，上板来回振动两者都是对样品施加剪切上板振动上板旋转Force,Fud旋转流变仪应用稳态/瞬态测试流动性测试，剪切粘度/剪切速率、时间、温度，剪切应力，屈服应力，触变性等振荡测试粘弹性测试，储能模量（G’），损耗模量（G’’），损耗角（δ），复数粘度（η*），材料结构，固化曲线蠕变回复测试粘弹性测试，蠕变柔量（J），模量，零剪切粘度等应力松弛测试粘弹性测试，松弛时间谱等多波测试凝胶点，固化曲线等侧重材料内部结构不仅是旋转流变仪……主要部件是料桶……包括样品压力传感器温度传感器活塞口模Rosand毛细管流变仪示意图控制活塞速度(相当于控制剪切速率)压力与剪切应力相关(测量压力计算剪切应力).RateShearStressShearViscosity毛细管流变仪原理恒温,不可压缩流体，稳定流动-RR0-R0R0牛顿流体非牛顿流体毛细管流变仪原理牛顿流体LPRRQappapp243)(log)(logddnTrueTrue校正毛细管流变仪：主要应用典型的剪切速率范围旋转流变仪毛细管流变仪样品：从水到高粘度样品结果：剪切粘度，拉伸粘度，壁面滑移等…10-210-3流平，垂挂，沉降104101挤出，泵送100102浸渍，涂刷，混合103106粘辊,喷雾样品：水到固体结果：剪切粘度，屈服应力，粘弹性，松弛等…没有破坏结构DMA样品:固体结果:复数模量，温度依赖性，松弛等...s-110510-1剪切速率与应用相关样品储存超低剪切速率:~0.001s-1样品稳定性,样品质量…储存使用样品输送剪切速率:~10s-1Pumpability?Scoopability?样品使用-1低剪切速率:~1s-1Flowsaway?Flowsoffhand?样品使用-2高剪切速率:~100s-1太粘稠?感觉如何?护手霜流动曲线两种不同的护手霜.在不同的条件表现不同的材料性质样品储存样品使用1样品输送样品使用2LogViscosityLogShearRate屈服应力-“YIELDSTRESS”剪切速率趋于零时，剪切粘度趋于无穷大，就像固体一样在静止时不流动零剪切粘度-ZEROSHEARVISCOSITY剪切速率趋于零时，剪切粘度有出现平台，就像液体静止时也流动10-6106StudyingweakerinteractionsStudyingstrongerinteractions流变仪测试范围粘度计测试范围典型的粘度曲线粘度测量零剪切粘度“ZEROSHEARVISCOSITY”沐浴露屈服应力“YIELDSTRESS”护手霜粘度测量应用:健胃消食糖浆（IndigestionRelief）两种健胃消食糖浆碳酸钙或者碳酸钠的悬浮液虽然成分相似，但Branded的粘度大，更稠因此，Branded比较稳定，不易发生沉降–低剪切速率过程然而，喝起来可能感觉太稠–中等剪切速率过程O–SupermarketBrand-Branded有些东西在外力作用下并不流动想想牙膏，为什么要用力才能将牙膏挤出？牙膏在牙刷上为什么不流动？为什么要用力摇瓶子才可以将番茄酱倒出？番茄酱在盘子上不会像水一样到处流动？屈服应力屈服应力（Yieldstress）屈服应力就是使得材料流动所需要的最小的力。剪切速率剪切应力y屈服应力测量及应用施加逐渐增大的应力ViscosityShearStressYieldStressStressTime具有屈服应力的材料，在屈服点以前发生拉伸峰值对应的应力就是从类固体转变为类液体所需要的力即使是低粘度材料，也可能具有屈服应力，如打印墨水如果没有屈服应力，材料可能就会从喷嘴流出屈服应力就是打印时所需要的能量壁垒屈服应力测量Nopeak,therefore,noyieldstressShowerGelPeak=yieldstressHandCream除了与剪切速率有关，还与时间有关(timedependent).涂料：储存时很稠，可以储存几个月，但粉刷之前需要搅拌，使得涂料变稀然而，粉刷时需要涂料不要太稠，就是因为触变性，涂料粘度不会迅速回复，而是需要一定的时间.不只是剪切变稀–触变性（Thixotropy）储存低剪切速率涂料“稠”搅拌高剪切速率剪切变稀.使用低剪切速率触变性：多长时间又变稠触变性测量及应用两种样品，一种触变性很强，另一种触变性不强TimeShearrateViscosityTime涂料质量差–会有刷印因为结构恢复很快，很快涂料粘度就会增大涂料质量好–表面平滑结构恢复慢，有足够的时间流平TimeShearrateStorepaintLowshearrateAppears“thick”StirpaintHighshearrateBecomesthinner,shearthinning.ApplypaintLowshearrateTermedthixotropic:ittakestimetobecomethickagain/rebuild触变性测量及应用监测结构回复过程剪切速率曲线典型的固液分散体系特征健胃消食糖浆触变性测量及应用两种健胃消食糖浆碳酸钙或者碳酸钠的悬浮液模拟材料的使用过程：储存，使用前摇晃Branded剪切变稀更明显（高剪切速率下剪切粘度更低），且需要很长的时间进行回复–触变性更强因此，更加稳定（低剪切速率下粘度大），口感更好（摇晃后需要更长时间回复）O–SupermarketBrand-Branded流变学-Whatisrheology?流动FLOW测量样品粘度流动的阻力样品稠稀样品是否能被泵送实验方法粘度测量（Viscometry）变形DEFORMATION材料在流动之前的行为表征粘弹性VISC