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1、流变测量学流变测量学 毛细管流变仪的测量原理和毛细管流变仪的测量原理和应用应用( (一一) ) 提纲 流变测量学概述 流变测量的基础理论-流变表征的三 种方法总结 毛细管流变仪的原理 流变测量学概述 流变测量学的目的 具体任务 高分子流体流变测量方法的分类 常用高分子流体流变测量仪器的类型 流变学测量的目的 物料的流变学表征。是最基本的流变测量任务；通过测量掌握物料的流变 性质与体系的组分、结构及测试条件的关系，为材料设计、配方设计、工艺设 计提供基础数据，控制、达到期望的加工流动性和主要物理力学性能。 工程的流变学研究和设计的需要。借助流变测量研究聚合反应工程，高分 子加工工程及加工设备、模
2、具设计制造中的流场及温度场分布，确定工艺参数 ，研究极限流动条件及其与工艺过程的关系，为实现工程优化，完成设备与模 具CAD设计提供定量依据。 检验和指导流变本构方程理论的发展。这是流变测量的最高级任务，这种 测量必须是科学的，经得起验证的，通过测量，获得材料真实的粘弹性变化规 律及与材料结构参数的内在联系，检验本构方程的优劣。 任务 理论上，要建立各种边界条件下的可测之变量（如压力、扭矩、 转速、频率、线速度、流量、温度等）与描述材料流变性质但又不能 直接测量的物理量（如应力、应变、应变速率、粘度、模量、法向应 力差系数等）间的恰当联系，分析各种流变测量实验的科学意义，估 计引入的误差。 实
3、验技术上，要能够完成很宽的粘弹性变化范围内（往往跨越几 个乃至十几个数量级的变化范围），针对从稀溶液到熔体等不同高分 子状态的体系的粘弹性测量，并使测得的量值尽可能准确地反映体系 真实的流变特性和工程的实际条件。这两项任务都是相当艰巨的。 高分子流体流变测量方法的分类 根据物料的形变历史分类，流变测量可分为： 稳态流变实验剪切速率场、温度场恒为常数 ，不随时间变化； 动态流变实验应力和应变场交替变化，振幅 小，正弦规律变化； 瞬态流变实验应力或应变阶跃变化，相当于 突然的起始流或终止流。 常用高分子流体流变测量仪器的类型 毛细管型流变仪，根据测量原理不同又可分为恒速型（测压力）和恒 压力型（测
4、流速）两种。通常的高压毛细管流变仪多为恒速型；塑料工 业中常用的熔融指数仪属恒压力型毛细管流变仪的一种。 转子型流变仪，根据转子几何构造的不同又分为锥板型、平行板型 （板板型）、同轴圆筒型等。橡胶工业中常用的门尼粘度计可归为一 种改造的转子型流变仪。 常用高分子流体流变测量仪器的类型 混炼机型转矩流变仪，实际上是一种组合式转矩测量仪。除主机外， 带有一种小型密炼器和小型螺杆挤出机及各种口模。优点在于其测量过 程与实际加工过程相仿，测量结果更具工程意义。常见的有Brabender公 司和Haake公司生产的塑性计。 振荡型流变仪，用于测量小振幅下的动态力学性能，其结构同转子型 流变仪。只是通过改
5、造控制系统，使其转子不是沿一个方向旋转，而是 作小振幅的正弦振荡。DMA、旋转流变仪 流变测量的基础理论流变测量的基础理论- -流变表征的三流变表征的三 种方法复习种方法复习 1.稳态粘弹性简单剪切流动 2.动态粘弹性小振幅振动剪切流动 3.瞬态粘弹性瞬态剪切流动 应力松弛 蠕变： 蠕变松弛时间一般较短，所以随着时间的延长，后续流动主要表现为粘性流动。 阶越应变速率应力增长 毛细管流变实验原理及应用 毛细管流变仪是目前发展得最成熟、应用最广的流变测量仪之一，其 主要优点在于操作简单，测量准确，测量范围宽（剪切速率：10-2105s-1 ）。毛细管流变仪可分为两类：一类是压力型毛细管流变仪，通常
6、简称为 毛细管流变仪；另一类是重力型毛细管流变仪，如乌氏粘度计。压力型毛 细管流变仪既可以测定聚合物熔体在毛细管中的剪切应力和剪切速率的关 系，又可以根据挤出物的直径和外观以及在恒定应力下通过改变毛细管的 长径比来研究熔体的弹性和不稳定流动（包括熔体破裂）现象，从而预测 聚合物的加工行为，作为选择复合物配方，寻求最佳成型工艺条件和控制 产品质量的依据；此外，还可为高分子材料加工机械和成型模具的辅助设 计提供基本数据，并可用作聚合物大分子结构表征研究的辅助手段。 A 剪切应力分析： 管壁处的剪切应力为： 牛顿流体应力分析： 压力校正 Bagley校正： 双料桶校正： 第八节课第八节课 毛细管流变
7、仪的原理及应用毛细管流变仪的原理及应用( (二二) ) B 剪切速率分析： 对于牛顿流体，有 （仅仅适用于牛顿流体， 也称为表观剪切粘度） 对于幂律非牛顿流体： 对于一般流体 此式称Rabinowich-Mooney公 式。 A 聚合物熔体剪切粘度的研究 B 流动曲线的时温叠加 C 拉伸粘度的表征（入口压力降） D 聚合物熔体的弹性研究 （由末端校正计算熔体弹性；法向应力差 的计算；挤出胀大比的研究） E 熔体滑移的表征 毛细管流变仪的应用 A 聚合物熔体剪切粘度的研究 最广泛的应用是测定零剪切粘度以及剪 切粘度与剪切速率的关系。通过测定零剪切 粘度随各种聚合物分子结构参数（如分子 量、分子量
8、分布、枝化程度）与流场参数（ 如剪切速率、温度、压力）的变化值，即可 建立它们之间的定量关系式，得到理论模型 的各项常数。 B 流动曲线的时温叠加 C 拉伸粘度的表征（入口压力降 ） 零长毛细管直接测量得到入口压力降； 两根不同长度的毛细管的压力直接相减得 到入口压力降。 D 聚合物熔体的弹性研究 由末端校正计算熔体弹性 ； 法向应力差的计算； 挤出胀大比的研究。 由末端校正计算熔体弹性 为可恢复剪切形变 为解释粘弹性流体的末端校正值，Philippoff和 Gaskins基于入口区的力学平衡，提如如下关系： 是Couctte校正，大约为0.75 法向应力差的计算 根据Tanner公式可由挤出胀 大比计算第一方向应力差： 根据Han公式可由出口压力降计算第一、第二方向应力差 挤出胀大比的研究 挤出胀大比与比值的关系为料筒的内径 E 熔体滑移的表征
