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1、高分子物理实验课之十三聚合物流变实验聚合物流变实验 聚合物材料聚合物材料恒负荷型恒负荷型毛细管流变实验毛细管流变实验高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三流动的宇宙，变化的世界流动的宇宙，变化的世界万物皆流万物皆流运动是绝对的，运动是绝对的，静止是相对的。静止是相对的。高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三松弛时间谱与测试时间松弛时间谱与测试时间t如果如果t ，测试的性能为结构单元测试的性能为结构单元i及其及其 以下单元以下单元的性能的性能 参比物参比物那么那么高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三流变学基本概念流变学基本概念 流变学是一门研究材料流变学是一门研究材料 流动及
2、变形流动及变形规律的科学。规律的科学。流动流动液体液体粘性粘性 耗散能量耗散能量 产生永久形变产生永久形变 无记忆效应无记忆效应 牛顿定律牛顿定律 时间过程时间过程变形变形固体固体弹性弹性 储存能量储存能量 形变可以恢复形变可以恢复 有记忆效应有记忆效应 胡克定律胡克定律 瞬时响应瞬时响应材料在大变形、长时间应力材料在大变形、长时间应力作用下呈现的非线性粘弹性作用下呈现的非线性粘弹性流变流变“固液两相性固液两相性”“非线性粘弹非线性粘弹性性”高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三影响流变行为的因素概述影响流变行为的因素概述主链及侧基主链及侧基内因内因结构结构组成组成支链支链分子量及其分布
3、分子量及其分布配方如共混、补强剂、增塑剂配方如共混、补强剂、增塑剂外因外因外部外部条件条件温度温度时间时间外力的作用性质外力的作用性质近程（一级）近程（一级）远程（二级）远程（二级）织态结构织态结构影响结构影响结构与松弛时间的关系与松弛时间的关系驱动力和围压力驱动力和围压力高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三一、实验目的一、实验目的1. 了了解解毛毛细细管管流流变变仪仪研研究究聚聚合合物物熔熔体体流变性能的一般原理，流变性能的一般原理，3. 掌握计算剪切应力掌握计算剪切应力 、剪切速率剪切速率 和和表观粘度表观粘度 的方法。的方法。4. Bargley修正；修正；Rabinowich修
4、正修正2. 初步掌握初步掌握XLY-II型流变仪的基本结型流变仪的基本结构和操作技术，构和操作技术，高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三二、实验原理二、实验原理 推导思路：推导思路：先将聚合物熔体先将聚合物熔体看作牛顿流体看作牛顿流体建立流变方程建立流变方程（即剪切应力和剪切速率关联式）（即剪切应力和剪切速率关联式）然后对流变方程进行非牛顿校正然后对流变方程进行非牛顿校正入口校正入口校正高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三图图13-1 熔体在毛细管内的受力示意图（放大）熔体在毛细管内的受力示意图（放大） 高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三 设不可压缩流体在半径为设不可
5、压缩流体在半径为R的圆管中心层流方式的圆管中心层流方式流动。半径为流动。半径为r r的圆柱流体所受的力是平衡的，进行的圆柱流体所受的力是平衡的，进行受力分析：受力分析： (1)高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三R毛毛细细管管半半径径L毛毛细细管管长长度度W负荷量负荷量R1料筒半径料筒半径 长度单位：长度单位：mm (2)rR时，时， 由（由（1 1）式可见，毛细管中流体受到的剪切应力）式可见，毛细管中流体受到的剪切应力r，与与流层至管中心的距离流层至管中心的距离r成正比成正比，与压力梯度，与压力梯度P/L成正比，成正比， 毛细管壁处毛细管壁处高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十
6、三由定义可知牛顿流体的剪切速率为：由定义可知牛顿流体的剪切速率为：v v（r r）为流体的流体的线速度，是速度，是r r的函数的函数。 (3)当当r rR R时有有：(4)高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三对于于上上式式积分并加上分并加上边界条件界条件 得：得：(5)从管道的微小环面积从管道的微小环面积2 2rdrrdr来看，通过它的微小流出来看，通过它的微小流出量可以用下式表示：量可以用下式表示：(6)展开展开(3)(3)式：式：高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三将（将（6 6）式两边积分得：）式两边积分得：由（由（4 4）式和（）式和（7 7）式可得：）式可得：R R毛
7、细管半径毛细管半径R R1 1料筒半径料筒半径V V柱塞下降速度柱塞下降速度(8)(7)高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三a a牛牛 式中式中W W为所加砝所加砝码的重量（的重量（单位，牛位，牛顿）。）。(9) 应当指出，式（当指出，式（8 8）、式（）、式（9 9）中的）中的结果果仅适用于牛适用于牛顿流体，由于流体，由于绝大数的聚合物熔体属于非牛大数的聚合物熔体属于非牛顿流体，故要流体，故要对式（式（8 8）和式（）和式（9 9）进行必要的修正，即行必要的修正，即RabinowitschRabinowitsch修正修正。高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三( (二二) )R
8、abinowitschRabinowitsch修正修正 - -非牛顿修正非牛顿修正 聚合物流体不是牛顿流体，一般为假塑性流体。聚合物流体不是牛顿流体，一般为假塑性流体。其流动行为符合幂律方程：其流动行为符合幂律方程：n n流体的流变指数（或称非牛顿指数）流体的流变指数（或称非牛顿指数） K K流体的稠度流体的稠度(10)所以需要进行校正所以需要进行校正RabinowitschRabinowitsch校正校正高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三将（将（1 1）式代入（）式代入（1010）式得）式得：(11)当当r rR R时（1111）式有）式有：(12)积分（分（1 11 1）式并代入
9、）式并代入边界条件界条件：(13)推导过程如下：推导过程如下：高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三与牛顿流体相同，与牛顿流体相同，非牛非牛顿流体的流量流体的流量为： 式式(13)(13)中的中的n n1 1，k k，则变回上述牛回上述牛顿流体的体流体的体积流量式流量式(7)(7)。两两边分分别积分得分得：(14)高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三 整理整理(8)(8)和和(14)(14)式式，得到非牛得到非牛顿流体切流体切变速率速率 w w与牛与牛顿流体切流体切变速率速率 w w之之间的关系是的关系是: : 由由该式可以看出式可以看出对于假塑性流体于假塑性流体n1n40)L/
10、D40)时，入口，入口压力力降与毛降与毛细管中流管中流动的的压力降相比可以忽略，力降相比可以忽略，可以可以不引入不引入入口校正，直接用（入口校正，直接用（2 2）式）式计算算w w值。 高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三( (三）弹性效应的表征三）弹性效应的表征 还有还有可逆的高可逆的高弹形形变流流动过程程（挤出、出、压延延）中中不不仅有有真真实的流的流动不可逆的塑性形不可逆的塑性形变弹性恢复弹性恢复出口膨胀出口膨胀挤出出胀大大现象象巴拉斯效巴拉斯效应高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三表示表示弹性性记忆效效应大小的参数大小的参数B B值影响因素影响因素口型口型长径比径比口口
11、型型入口角入口角压出膨出膨胀比或膨比或膨胀率率B B内因内因外因外因压出速度出速度压出切出切变速率速率结构组成结构组成高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三三、实验仪器三、实验仪器 加压系统是由加压系统是由1 1: :1010的杠杆机构的杠杆机构 ，连接砝码的是动滑轮结构，连接砝码的是动滑轮结构，kg的砝码，的砝码，毛细管长径比毛细管长径比(L/D):5/1，10/1，20/1，40/1，升温速度升温速度16/minmin ，07以上以上-升温最快升温最快走纸速度可调，单位走纸速度可调，单位mm/h. 高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三注意：注意：1.每次实验后清理料筒及工具。
12、每次实验后清理料筒及工具。2.避免空气对流，保持恒温。避免空气对流，保持恒温。3.避免摔、碰机器和工具，防止损坏。避免摔、碰机器和工具，防止损坏。一、数据记录一、数据记录二、操作二、操作记录在课本表记录在课本表5中中样品名称样品名称日期日期实验温度实验温度毛细管直径毛细管直径长径比长径比系统负荷系统负荷走纸速度走纸速度YY值、值、XX值值 =(砝码质量砝码质量+1)20高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三四、数据处理四、数据处理 原始数据原始数据分别求对数分别求对数柱塞下降速度柱塞下降速度体积流量体积流量剪切应力剪切应力剪切速率剪切速率表观剪切粘度表观剪切粘度作图分析作图分析高分子物理
13、实验课之十三高分子物理实验课之十三2.柱塞下降速度的确定：柱塞下降速度的确定： 图图13-3柱塞的形成与时间变化关系图柱塞的形成与时间变化关系图高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三五、思考题五、思考题 分别讨论分子量、分子量分布、支化以及温度对聚分别讨论分子量、分子量分布、支化以及温度对聚合物表观粘度的影响。合物表观粘度的影响。 为什么要进行为什么要进行BagleyBagley修正和修正和RabinowitschRabinowitsch修正？修正？ 如何用恒负荷型流变仪进行如何用恒负荷型流变仪进行BagleyBagley修正？修正？ 恒速率型与恒负荷型流变仪的根本区别是什么，各恒速率型与恒负荷型流变仪的根本区别是什么，各有什么优缺点？有什么优缺点？ 高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三六、应用六、应用在合成上的应用在合成上的应用 在加工工艺上的应用在加工工艺上的应用 力学状态变化的测定力学状态变化的测定 高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三13134 4聚乙稀塑化曲线聚乙稀塑化曲线高分子物理实验课之十三高分子物理实验课之十三BargleyBargley校正因子计算示意图校正因子计算示意图高分子物理实验课之十三
