毛细管流变仪

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流变学

流变学是力学中一门较新的分支学科，它主要研究各种材料在应力、应变、温度、湿度、辐射等条件中与时间有关的变形和流动的规律。

研究方法  主要有宏观与微观两种：

宏观法即经典的唯象研究方法，是将聚合物看作由连续质点组成，材料性能是位置的连续函数，研究材料的性能是从建立粘弹模型出发,进行应力-应变或应变速率分析。

微观法即分子流变学方法，是从分子运动的角度出发，对材料的力学行为和分子运动过程进行相互关联，提出材料结构与宏观流变行为的联系。(珠簧相空间理论、分子网络理论、蛇行管理论）

领域

聚合物 – 我们需要理解熔体流动性能，从而设计模具等

食品 – 良好的外观、质地和加工特性

涂料 – 储存寿命和表面流平性能

墨水 – 打印清晰度和准确计量

医药– 正确的配方定量，沉降性能等

还有：泥浆、钻井液、沥青、橡胶等

非牛顿流体

流变学研究对象：

包括非牛顿流体、粘弹性固体和流体与固体之间的物质（如悬浮体）。

对于高分子来说，绝大多数的成型加工都是熔融状态下进行的，特别是热塑性塑料加工。因此，高聚物在粘流温度下的流动性和弹性，是其成型加工的首要性能。

非牛顿流体定义：凡不服从牛顿粘性定律的流体称为非牛顿流体。

即：在一定温度下，流体剪切应力与剪切速率不成正比的线性关系，其粘度不是常数，而是随剪切应力或剪切速率而变化的非牛顿粘度η。

剪切形变-流变学基本定义

剪切应力（Shear stress, σ）

单位面积所受的剪切力

剪切应变（Shear strain, γ）

剪切形变除以高度

剪切（应变）速率（Shear rate, γ ）

剪切应变的快慢

剪切粘度（Shear viscosity, η）

剪切应力除以剪切速率

解释 :

应力：单位面积上的力                      (多少)

应变：相对样品尺寸上的变形幅度    (多大)

剪切速率：随时间应变的变化率       (多快)

剪切粘度：在一定的条件下熔体是否容易流动

高分子材料流动性特点

粘度大流动性差：这是因为高分子链的流动是通过链段的相继位移来实现分子链的整体迁移，类似蚯蚓的蠕动。

不符合流动规律：在流动的过程中粘度随剪切速率的增加而下降。

熔体流动时伴随高弹形变：因为在外力作用下，高分子链沿着外力作用发生伸展，当外力消失后，分子链又由伸展变为卷曲，使形变部分恢复，表现出弹性行为。

流动性

以粘度的倒数表示流动性。按作用方式的不同,流动可分为剪切流动和拉伸流动,相应地有剪切粘度和拉伸粘度。前者为切应力与切变速率之比；后者为拉伸应力与拉伸应变速度之比。聚合物的结构不同，流动性（或粘度）就不同。对于聚合物熔体，大多数是属于假塑性液体,其剪切粘度随剪切应力的增加而降低,同时测试条件（温度、压力）、分子参数（分子量及其分布、支化度等）和添加剂(填料、增塑剂、润滑剂等)等因素对剪切粘度-剪切应力曲线的移动方向均有影响。对于拉伸粘度，当应变速率很低时，单向拉伸的拉伸粘度约为剪切粘度的 3倍，而双向相等的拉伸，其拉伸粘度约为剪切粘度的6倍。拉伸粘度随拉伸应力增大而增大,即使在某些情况下有所下降，其下降的幅度远较剪切粘度的小。因此，在大的应力作用下，拉伸粘度往往要比剪切粘度大一二个数量级，这可使化学纤维纺丝过程更为容易和稳定。

弹性

由于聚合物流体流动时，伴随有高弹形变的产生和贮存，故外力除去后会发生回缩等现象,例如:塑料、橡胶挤出后和纤维纺丝后会发生断面尺寸增大而长度缩短的离模膨胀现象，或称弹性记忆效应；搅动时流体会沿杆上升，这种爬杆现象称韦森堡效应或法向应力效应。此外，聚合物加工时，半成品或成品表面不光滑，出现“橘子皮"和“鲨鱼皮"，出现波浪、竹节、直径有规律的脉动、螺旋形畸变甚至支离破碎等影响制品质量的熔体破裂和不稳定流动等现象，这些现象主要与熔体弹性有关。

高分子熔体流动中的弹性效应

高分子液体流动时，表现出形形色色的奇异弹性行为。

主要有挤出过程中的挤出胀大现象，不稳定流动和熔体破裂

现象，“爬杆"现象（Weissenberg效应），拉伸流动等。

高分子液体的弹性属于熵弹性。在流动过程中，材料的粘性

行为和弹性行为交织在一起，使流变性十分复杂。研究高分

子液体的弹性规律性对高分子材料加工也十分重要。

实验发现，几种粘度相近、分子量分布大致相同的聚乙烯熔体，其加工行为却有很大差异，分析得知，这些差异主要因为不同熔体的弹性行为（拉伸粘度和法向应力差）不同引起的。