流变学基础

四川大学流变应用培训英国Bohlin仪器公司北京正通远恒科技有限公司第一部分：流变学基础1.流变基础知识2.流变测量知识典型流变系统介绍•流变学定义•剪切速率和应用•测量系统的选择•基本流变测量流变学定义‘流动和变形的科学’剪切应变变形想象一个放置在固定面上的类似橡胶状材料的立方体H剪切应变变形在上端面施加一个力，该力就产生一个形变Force,F剪切应变变形在上端面施加一个力，该力就产生一个形变Force,F剪切应变变形在上端面施加一个力，该力就产生一个形变Force,F剪切应变变形在上端面施加一个力，该力就产生一个形变Force,Fdu（剪切应变）ShearStrain=du/hh剪切应变变形•剪切应变通常简称为应变•应变没有单位。因此人们采用‘%strain’或‘millistrain’•采用应变的原因是它与几何形状无关应变=位移间隙剪切应力•施加在单位面积上的力称为剪切应力力=N面积m21N/m2=1PaForce,Fh•如果立方体是粘性液体，当我们施加一个力时，我们就得到一个恒定的流动而不是一个形变•这个流动能够描述为应变随时间变化的函数关系粘性流动Force,Fh•如果立方体是粘性液体，当我们施加一个力时，我们就得到一个恒定的流动而不是一个形变•这个流动能够描述为应变随时间变化的函数关系粘性流动Constantvelocity,vForce,FhConstantvelocity,v•如果立方体是粘性液体，当我们施加一个力时，我们就得到一个恒定的流动而不是一个形变•这个流动能够描述为应变随时间变化的函数关系粘性流动Force,FhConstantvelocity,v•如果立方体是粘性液体，当我们施加一个力时，我们就得到一个恒定的流动而不是一个形变•这个流动能够描述为应变随时间变化的函数关系粘性流动•如果立方体是粘性液体，当我们施加一个力时，我们就得到一个恒定的流动而不是一个形变•这个流动能够描述为应变随时间变化的函数关系粘性流动Force,FhConstantvelocity,v剪切速率•应变（STRAIN）的变化速率称为剪切应变速率（shearstrainrate）或剪切速率（SHEARRATE）•因为应变（strain）没有单位，所以剪切速率的单位是1/秒(S-1)剪切速率=d应变d时间生产和应用中典型的剪切速率工艺最小剪切速率最大剪切速率(1/s)(1/s)•反向印刷1e+051e+06•喷溅1e+041e+05•刮涂1e+031e+05•混合/搅拌1e+011e+03•刷涂1e+011e+03•泵输送1e+001e+03•挤出1e+001e+02•幕式淋涂1e+001e+02•流平1e-021e-01•挂流1e-021e-01•沉降1e-061e-04流变测量模拟应用工艺(短期)微观结构信息(长期)剪切粘度•单位:–Pascalsecond-Pas(SI)–Poise-P(CGS)•单位换算:–1Pas=10P或1mPas=1cps粘度=剪切应力剪切速率粘度和应用粘度剪切速率s-1(或应力)低高10-6106储藏沉降下垂流平运输浸渍混合挤出泵输送刷涂喷溅粘度计流变仪辊涂反向印刷1测量系统典型测量夹具ConeandPlateCupandBob平行板•近乎理想:–易于清洁–易于设置间隙–间隙可变–可能获得高剪切速率平行板的不利之处0510s-1•剪切速率在边缘最大，在中心点等于零•溶剂产生挥发锥板•近乎理想:–易于清洁–易于设置速率–整个间隙中，剪切速率恒定–绝对的粘度结果！锥和板•对于平行板，剪切速率在边缘最大，在中心点等于零•对于锥板，整个样品上的剪切速率都是恒定的-如果间隙正确!0s-15s-110s-110s-110s-110s-1锥板的不利之处•溶剂产生挥发•顶点处的小间隙，在测量带粗糙填料的体系时受到限制杯和转子(同轴圆桶)•很宽的间隙(1-1.5mm)，适合填充材料•更大的表面积，测量稀薄液体时更灵敏•减少了挥发杯和转子的不利之处•清除样品更困难•与Peltier或其它平板加热体系，兼容性相对较差屈服应力流变学家的定义和非流变学家的定义流变学家的定义当应力小于某一值时没有流动发生，这个应力被称为屈服应力(最小应力通常是重力)屈服应力剪切应力剪切速率没有流动，直到施加了某一剪切应力非流变学家的定义完成下列工作需要的应力：把牙膏从管中挤出来，或把油从地下泵出来，或使油漆在刷毛中流动等，....测量屈服应力的三种方法•剪切速率扫描，做Bingham外推•剪切应力扫描•多步蠕变测量剪切速率扫描剪切应力剪切速率施加不同的剪切速率，并假设线性响应外推到零剪切屈服应力Bingham方程yy=c+mx应力=屈服应力+塑性粘度x剪切速率测量屈服应力线性扫描(Bohlin屈服应力测试)步阶蠕变测试剪切应力时间剪切应力时间浆料的屈服应力测量YieldStress瞬时粘度剪切应力多步蠕变测量柔量,J时间1Pa2Pa3Pa触变性触变行为•触变性:与时间相关的剪切变稀行为•例如：奶油冻是冻状物，–搅拌时，变成液体–停止搅拌，静置数小时后又结成冻状触变行为之基础触变性•如果想得到可重复的结果，认识它很重要•对于某些应用的定量很重要，如：油漆在结构重建前的流动触变性测量•HysteresisLoops不理想（触变环）•Pre-shearCreep好•Pre-shearOscillation好pre-shearcreep和pre-shearoscillation能更加贴近的模拟应用中发生的行为HysteresisLoop(触变环)应力剪切速率UpRampDownRampHysteresisLoop(触变环)应力剪切速率AreaPre-shearCreep法时间应力预剪切蠕变结构时间蠕变结果Pre-ShearOscillation法G’G”CriticalTime粘弹性粘弹性•很多工业材料展示出了粘性-弹性（visco-elasticity），在一些加工中它们的行为象粘性液体，而在另外一些场合它们的行为象弹性固体。•例如：油漆–贮藏期间，需要象固体一样防止沉淀–刷涂时，需要象液体以便在刷毛中流动，并且刷涂均匀。动态测量施加应变或应力测量应力或应变相位角时间动态测量测得的参数•应力转动的力/面积Pa•应变相对形变-•相位角施加信号和测量信号的位相滞后Radsor°•频率振动周期Rad/sorHz理想弹性材料的相位角零应力产生零应变理想弹性材料的相位角最大应力产生最大应变理想弹性材料的相位角零应力，材料回到零应变理想弹性材料的相位角最大负应力产生最大负应变理想弹性材料的相位角零应力产生零应变理想弹性材料•应力和应变是完全同相的•因此相位角等于零理想粘性材料的相位角零应力产生零应变理想粘性材料的相位角当应力增加时，样品加速理想粘性材料的相位角当应力减少时，样品减速并达到最大应变理想粘性材料的相位角当应力负增加时，样品在负方向上加速理想粘性材料的相位角当应力回到零时，样品减速并达到最大负应变理想粘性材料的相位角应力和应变相位差90°因此相位角等于90°相位角是弹性的量度相位角越大，材料粘性越大相位角越小，材料弹性越大动态测量计算得到的参数•储能(弹性)模量,G’=应力xCos(相位角)应变•损耗(粘性)模量,G”=应力xSin(相位角)应变•复数模量,G*=应力应变•复数粘度,*=G*频率(whichcanberelatedtoviscositybytheCox-Merzrule)线性粘弹性•在线性粘弹性区域内，材料产生线性响应•测量内在结构•显示样品稳定性•为其它实验找出合适的应力/应变模量应力或应变LVRnon-LVR样品稳定性频率扫描–可测时间尺度下的结果•力学谱，类似于红外谱•指纹特征•显示与时间相关的加工行为LongTimescaleShortTimescaleSillyPuttySample蠕变测量•蠕变–施加一恒定应力并保持不变–测量应变随时间的变化值–通常把柔量，J(应变/应力)与时间作图–能用来得到零剪切粘度•回复–撤去施加的应力–监测可恢复的应变(negativetwist)–测量总弹性模型模拟BurgersModelJgJdJgJdsome蠕变回复柔量,J(1/Pa)J0r时间Joc蠕变测量MaxwellModelJgJdKelvin/VoigtModel零剪切粘度-没有屈服应力屈服应力-无限大的零剪切粘度蠕变结果蠕变测试，找出零剪切粘度柔量,J时间1,2&3Pa5PaMustbeatsteadystate4Pa粘度vs剪切速率粘度,剪切速率,(s-1x10-3)354216708910应力松弛测量•应力松弛–施加一恒定应变并保持不变–测量应力随时间的变化值–通常把模量，G(应力/应变)与时间作图–能用来得到松弛时间谱–能用来得到零剪切粘度应力松弛测量时间logsecs0.0010.010.1110100应变%瞬时阶跃应变恒定应变101.00.10.01应力松弛测量时间logsecs0.0010.010.1110100G松弛模量(Pa)H(Pa)松弛时间谱应力松弛谱图•瞬时阶跃响应时间小于5ms•应变没有过冲•快速的模量衰减-粘性样品应力松弛/低剪切-1•测试条件：LDPE（190°C，25mm平行板•松弛谱（根据Alfrey法则计算得到）•主要松弛时间：~75ms•零剪切粘度：~97kPas参考文献Abasicintroductiontorheology;BohlinInstruments.Viscoelasticpropertiesofpolymers;JDFerry.JohnWiley&Sons.ISBN:0-471-04894-1Anintroductiontorheology;HABarnes,JFHutton,KWalters.Elsevier.ISBN:0-444-87469-0北京正通远恒科技有限公司地址：北京市朝阳区胜古北路甲3号210室邮编：100029电话：[phone]传真：[phone]网址：@honoprof.com