聚合物加工流变学1

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1、聚合物加工流变学主讲：严正电话：85405326邮件：yanzeng@mail.sc.cninfo.net第1章流变学概论1.1流变学定义“流变学”的英语名称是“rheology”，这一术语是美国印第安纳州Lafayette学院的Bingham首次提出的。流变学是研究物质变形和流动的科学，它的研究对象主要是非牛顿流体，高分子流体（包括溶液和熔体）是这门学科的主要研究对象之一。1.2聚合物的流变学特性材料的几种力学形态：刚体：在外力作用下不变形的物体。其特点是应力时，应变0。刚体是一种理论形态，在理论力学中用来作力学和运动学分析，实际材料中并不存在。线弹性体线弹性体遵从

2、虎克定律(1-1)式中：－应力，－应变，E－弹性模量对于金属等结晶材料，在弹性极限内，就可以视为线弹性体完全流体粘度为零的流体。其特点是只要有微小的外力，就会产生无限大的流动。这是一种理论形态，实际材料中不存在完全流体。牛顿流体流体的特点是任何微小都能引起不可逆的流动或永久的塑性变形.实际流体是具有粘度的,如果流体流动的剪切应力与其应变速率之间呈线性关系,即满足下式:(1-2)式中:-剪切应力,-应变速率,-粘度满足上式的流体称为牛顿流体,其粘度也称为牛顿粘度,牛顿流体也称为线性流体。一般低分子流体一般是牛顿流体，浓度非常低的聚合物溶液也可以近似作为牛顿流体。非牛顿流

3、体对不满足牛顿定律的流体，称为非牛顿流体，也叫非线性流体。绝大多数聚合物浓溶液、熔体是非牛顿流体。1.3聚合物粘弹性对于理想线弹性体，应力－应变的关系符合虎克定律。对于理想线性的粘性流体，应力－应变速率符合牛顿粘性定律。实际上，既没有纯粹的线弹性体，也没有纯粹的线性粘性流体。对于实际的材料，弹性和粘性总是共存的。当弹性的作用相对于粘性的作用占主导地位时，可以作为弹性体进行分析，比如，金属等结晶材料。反之，当粘性作用占主导地位时，可以作为粘性流体进行分析。对于聚合物材料，许多情况下弹性和粘性的作用相当，因而，弹性和粘性作用都不能忽略。这种粘性和弹性共存的状态就是聚合物材料的“粘弹

4、性”聚合物的粘弹性表现在弹性模量是时间t的函数，应力与应变都具有时间依赖性。即(1-3)式中E(t)－弹性模量，D(t)－柔度－应变，－应力正因为聚合物的弹性模量是时间的函数，所以，应力与应变之间表现出非线性的关系1.3.1蠕变与蠕变回复蠕变：是对材料施加恒定的应力，其应变随时间变化的过程。蠕变回复：承受应力的材料，在去除应力以后，受力所产生的变形要回复，应变随时间回复的过程，即为蠕变回复。1.3.1蠕变与蠕变回复如果施加恒定应力=0,在材料上，假设在作用在t1时间内，对于不同的材料，应变的表现是不一样的，如图1－1所示。对于线弹性体，如图(b)所示，是不随时间变化

5、的，、之间符合虎克定律对于线性粘性流体，如图(c)所示，与随时间表现出线性关系。对于粘弹性体图1－1各种形态下的蠕变与蠕变回复(a)应力史；(b)线弹性体；(c)线性粘流体；(d)粘弹性体线弹性体(图(b))对于在0~t1时间,不变的应力作用下,线弹性体的应变是瞬时产生,不随时间变化,且满足牛顿定律,如图(b)所示.即(1-4)当t>t1时,应变为0线性粘性流体(图(c))对于线性粘性流体,在外应力=0作用时间0~t1内,应变(t)随时间以恒定的应变速率变化,且这个应变当外应力去除(t>t1)后不可回复,如图(c)所示,应力与应变之间有如下关系t=0~t1:(1-

6、5a)t>t1:(1-5b)式中:-牛顿粘度粘弹性体(图(d))对于粘弹性体,在外应力=0作用时(0~t1),弹性与粘性共同作用产生形变，其应变(t)随时间的变化表示出非线性,如图(d)所示.形变是由三部分构成，一部分是瞬时弹性形变，应变量为1，一部分是滞后弹性形变，应变两为2，还有一部分是粘性流动产生的形变，应变量为3。瞬时弹性形变是分子链间键角和键长发生变化而产生的。形变瞬时产生，应变量1很小，也称普弹形变。当外力去除以后，也是瞬时回复。滞后弹性形变是分子链逐渐伸展的过程，形变需要一定的时间，应变量2比瞬时弹性应变量1大的多，也称高弹形变。外力去除以后，

7、形变会逐渐回复。粘性流动形变是未交联的线性聚合物分子间相对滑移产生的，应变量为3。外力去除以后，形变不会回复。粘弹性体的弹簧粘壶模型对于粘弹性体的行为的分析，经典的连续介质力学的分析方法已不适用。弹簧粘壶模型是一种分析粘弹性行为的一种方法。它把粘弹性行为模拟成两部分。一部分是纯弹性的弹簧，弹性模量为E，是常数。另一部分是纯粘性的阻尼器－－称为粘壶。对于粘弹性体不同情况的粘弹行为，采用不同的弹簧和粘壶的连接方式进行分析。在弹簧粘壶模型中弹簧满足虎克定律有=/E粘壶有d/dt=/对于