第二章 高分子的基本流变性质ppt课件.ppt

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1、第二章高分子的基本流变性质赵亚奇河南城建学院化学与化学工程系引言经典弹性理论。Hooke定律记为：式中ε、γ分别为拉伸形变和剪切形变，E、G分别称Yang's氏模量和剪切模量，它们是不依赖于时间、形变量的材料常数。经典流体力学理论。Newton粘性定律表述为式中为剪切速率，为Newton粘度，是与时间和剪切速率无关的材料常数。实际高分子液体流动时，表现出比上述两种情形复杂得多的性质。一是体系受外力作用后，既有粘性流动，又有高弹形变，体系兼有液、固双重性质。外力释去时，仅有弹性形变部分可以恢复，而粘性流动造成的永久形变不能恢复。二是高分子液体流动中表现出的粘弹性，偏离由Hooke

2、定律和Newton粘性定律所描写的线性规律，模量和粘度均强烈地依赖于外力的作用速率，不是恒定的常数。更重要的，应力与应变间的响应，不是瞬时响应，即粘性流动中的力学响应不唯一决定于形变速率的瞬时值，弹性形变中的力学响应也不唯一决定于形变量的瞬时值。由于高分子的力学松弛行为，以往历史上的应力（或应变）对现时状态的应变（或应力）仍产生影响，材料自身表现出对形变的“记忆”能力。实际上，高分子液体流动时，其内部的应力状态十分复杂，既存在剪切应力，还存在法向应力，各个不同法向上的应力值不等。为此需要对这种复杂应力状态和我们不熟悉的大形变——有限形变的度量给出恰当定义和严格数学描述，由此才能正

3、确描述高分子液体的非线性粘弹性质。3.粘度与法向应力系数3.1表观剪切粘度已知简单剪切流场中，Newton流体流动时所受的剪应力σ21与剪切速率呈简单线性关系。而高分子流体的流动行为比较复杂，图2-9给出典型高分子熔体的流动曲线。由曲线知，剪应力σ21与剪切速率不能始终维持线性比例关系。定义（2-68）为高分子流体的表观剪切粘度。它等于曲线上一点与坐标原点连线的斜率。表观粘度不是材料不可逆形变难易程度的真正度量，它比材料的真实粘度值要小。在一定温度下，若剪应力没有时间依赖性，主要是剪切速率的函数。几种高分子材料的典型粘度曲线见图2-10。在同一流动曲线上，同时可定义（见图2-9）

4、（2-69）为微分粘度或稠度，它等于过曲线上一点的切线的斜率显然其单位均为Pa·s和P（泊）。3.2第一、第二法向应力函数高分子液体在剪切流场中，除表现有粘性外，还表现出奇异的弹性行为，存在法向应力差效应。在简单剪切流场中，当规定流速方向为第一坐标轴方向，速度梯度方向为第二坐标轴方向，中性方向为第三坐标轴方向，则根据第一、第二法向应力差函数N1、N2定义如下两个法向应力系数（2-70）（2-71）单位是Pa.s2主要特征为：N1＞0，且随增大而增大，其规律与动态贮能模量随频率变化规律相似。第二法向应力差N2＜0，其绝对值远小于N1。高分子液体的第一法向应力差系数随剪切速率的变化规

5、律示于图2-13。其规律性与表观粘度曲线相似。剪切速率很小时，也趋向一恒定值；当剪切速率增大时，第一法向应力差系数随剪切速率增大而减小。3.3拉伸粘度考虑稳态单轴拉伸。所谓稳态拉伸，指一个流体元所受的拉伸速率为恒定值。设x1方向为拉伸方向，定义体系的稳态单轴拉伸粘度为式中T11为拉伸方向的总法向应力。对粘度为常数的流体，拉伸粘度又称Trouton粘度，它与剪切粘度的关系为：高分子液体的拉伸粘度则比Trouton粘度复杂得多。高分子液体的拉伸粘度往往是其剪切粘度的102~103倍，而且拉伸粘度不等于常数值，拉伸粘度随拉伸应力的变化，比其剪切粘度随剪切应力的变化显示出复杂得多的性质。

6、高分子液体拉伸粘度随拉伸应力的变化规律有多种类型：（Ⅰ）有些高分子材料的拉伸粘度几乎与拉伸应力的变化无关，近似为常数值；（Ⅱ）有些高分子材料的拉伸粘度，当拉伸应力增至约等于开始出现剪切变稀的剪切应力值时，反随着应力增大而增大；（Ⅲ）另一些高分子材料，从这个临界应力起，拉伸粘度随着拉伸应力增大而减小（见图2-14）。纤维纺丝过程的实践表明，当一种材料的拉伸粘度随拉伸速率增大而增大，则这种材料的纤维纺丝过程将变得容易和稳定。其原因是，若在纺丝过程中，纤维上的某处偶然出现薄弱点，使该处截面积变小，拉伸速率增大，但由于材料的拉伸粘度随拉伸速率增大而增大，将阻碍该薄弱点进一步发展，使丝条复

7、原，纺丝过程稳定（图2-15）。4.非牛顿流体非牛顿型流体是一大类实际流体的统称。一般地说，凡流动性能不能用牛顿流体方程来描述的流体，统称为非牛顿型流体。在高分子液体范畴内，可以粗略地把非牛顿型流体分为：纯粘性流体，但流动中粘度会发生变化，如某些涂料、油漆、食品等。粘弹性流体，大多数高分子熔体、高分子溶液是典型的粘弹性流体，而且是非线性粘弹性流体。一些生物材料，如细胞液，蛋清等也同属此类。流动性质有时间依赖性的流体。如触变性流体，震凝性流体。4.1Bingham塑性体Bingha