14.流变性能讲解PPT参考课件.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,高聚物,流变,性能,材料与化工学院,焦明立,2,目录,流变学原理,流变仪器结构及其使用,流变学研究在高分子中的应用,3,流变学的研究范围,化妆品在皮肤上的涂抹及感觉,牙膏的挤出特性及在牙刷上的稳定性,番茄酱的倾倒和稳定，乳制品的特性,甚至山脉的流动,!,流变学,流动变形,4,制造和使用产品,原材料,通过加工（变形）,制品,产品 在外力或变形下使用 性能,流变学是高分子学科的基础,流变学是,实验,和,实践,科学,Bingham,与流变学,流变学,5,Rheology,与,Theology,1927,年，巴勒斯坦的土木工程师,Reiner,先生应美国化学家,Eugene C.Bingham,的邀请到美国和,Bingham,合作一项研究,在工作中，他们感觉到，应该有一个介于力学、化学和工程科学之间的,-,物理分支。,他们请教了一位语言学家。凡是语言学家，都是言必称希腊的，这位语言学家造了,“,Rheology,”,这个新词,来源于古希腊哲学家赫拉克利特的名言：,“,万物皆流。,”“,Rheo,”,在希腊语里是流动的意思。,流变学,6,流变学的研究对象,不仅研究形变、温度还研究与时间的相关性,微观世界：分子结构的运动、温度与时间,宏观世界：应用环境的形变、温度与时间,形变,时间,(,频率,),温度,观察点,流变学,7,宏观世界,:,形变与时间或频率的关系,流动过程,剪切速率,沉淀,(Sediments),10e-6 10e-4,垂挂,/,流平,(Sagging/Leveling),10e-2 10e-1,管流,(,Pipe Flow)10 1000,混合,(,Mixing)10 1000,挤出,(,Extrusion)1 100,化妆品相关,从瓶中倒出,(,Pouring from a bottle)10e1 10e2,挤牙膏,(,Extrusion of toothpaste from a tube)10e2,擦护手霜,(,application of hand lotions/creams)10e2 10e4,涂口红，指甲油,(,Applying lipstick,nail polish)10e3 10e4,喷雾,(,Spraying aerosols)10e3 10e5,粘合过程,粘合,(,Tack)10e-2 10e-1,键合,(,Press Bonding),10,e-1 1,脱粘,(,Peeling)10e2 10e4,自动脱粘,(,Auto-debonding)10e-3 10e-2,流变学,8,微观世界,:,分子结构的尺寸、温度与时间,松弛时间分布,分子运动,温度变化,侧基运动,主链运动,结晶 融熔流动,t,g,t,b,t,gg,t,g,t,a,t,m,T,g,T,b,T,gg,T,g,T,a,T,m,流变学,9,以宏观世界条件窥视微观世界反应,使用感官：无法定量时间尺度，无法量化,生产加工：时间尺度过短或过长，,无法逐步窥探微观世界,仪器检测：适当的时间尺度，可逐步窥探微观世界,材料特性全貌,=,f(,时间,温度,),表观物性,观察点,=,f(,时间,温度,),测量尺度,=,f(,时间,温度,）,测量仪器,/,设备,流变学,10,动态数据与样品结构的联系,流变学,聚二甲基硅氧烷,粘度,11,宏观世界,联系,微观世界,事件时间,分子运动时间,快，善变，软，游离分子,慢，迟钝，硬，主链分子,小分子，软链段，支链,大分子，硬链段，主链,流变学,12,流变学的角色,微观世界与宏观世界的桥梁,分子组成结构,仪器分析,高分子科学,流变学,加工性,物性,微观世界,分子量与分子量分布,支化与交联,填料与基体材料的相互作用,单相或多相结构,作为以下参数的函数：,应变,(,应变率,),温度,时间,(,频率,),宏观世界,流变学,13,控制参数,形变,低形变属于线性行为范围,高形变属于非线性行为范围内（断裂）,温度,频率,时间,低频相当于长时间行为,高频相当于短时间行为,测量结果,G,G”,Tan,d,*,流变学,14,对小分子（或高分子稀溶液）来讲：,剪切应力与剪切速,率成正比,流体的流速越大，,受到的阻力越大。,流变学,流体类型,15,比例常数 （粘度）是常数，不随剪切力和剪切速率的大小而改变的。,这种类型的流体称为,牛顿流体,。,的单位：,N s,m,-2,对高分子熔体等流体来讲：,不是常数，不呈直线关系。,流变学,牛顿流体、非牛顿流体,16,高聚物流动,-,非牛顿流体,流变学,17,高聚物粘性流动的特点,假塑性流体,剪切变稀,剪切速率,流动粘度,大多数的高聚物属此类,膨胀性流体,剪切变稠,剪切速率,流动粘度,宾汉流体（塑性流体）,剪切应力某一临界应力时不发生流动,流变学,18,大，表明流动时阻力大，流动性差,小，表明流动时阻力小，流动性好,对于牛顿流体：,对于非牛顿流体：,粘度,19,剪切粘度的几种表示方法,表观粘度,：,最常用,零剪切粘度（牛顿粘度,）：,20,流变学,21,粘度,-,剪切速率曲线,22,流变学基础,将粘弹性行为分割为,完全弹性,与,完全变形,行为,t,*(,t,),Time,g,(,t),固体,(,完全弹性,),行为,t,测量周期性应力,Time,g,(,t),流体,(,完全变形,),行为,t,*(,t,),Time,g,(,t),t,“(,t,),t,(,t,),g,施加周期性变形,t,*(,t,),Time,g,(,t),粘弹体行为,d,流变学,23,流变学与微观结构的关系,流变学,24,实 验 仪 器,25,旋转式流变仪,旋转粘度计分为同轴圆筒式、锥板式和或平行板式,同轴圆筒式,锥板式,26,平行平板粘度计（高粘度）,间距可调,推荐,0.2 to 2.5 mm,(,根据样品的粘度,),可弃式平行板夹具,针对热固性材料,齿型平行板,针对易打滑样品,27,锥板粘度计（高剪切速率）,测量材料范围：,高分子熔体,流体,(,悬浮液,/,乳液,),由锥度固定夹具间距；,没有剪切速率梯度；,等温实验；,28,同心圆筒粘度计,材料材料范围：,低粘度流体,有限稳定性的悬浮液,对应力敏感性材料的面积效应,装载过程中的加工历史,旋转式流变仪是在低剪切速率下测定流变性能,29,熔体流动速率（熔融指数）测试仪,定义,在一定温度和压力下，聚合物熔体在,10min,内流过一个规定直径和长度的标准口模的质量克数（,g/10min,）。,用途,1,）表征聚合物的流动性；,2,）表征聚合物分子量大小；,表征聚合物分子量,只有在,化学组成,和,结构,都相同的情况下才可以比较分子量的相对大小,30,熔体流动速率测定仪,31,测试步骤,加热仪器至所要求的测试温度；,准备试样,粒料、粉料或碎片；,选择负荷法码；,将试样加入料筒、压实并预热；,计时并切割挤出物；,称重并计算试验结果,32,常见热塑性塑料测试条件,聚合物,温度,/,负荷,/Kg,PS,200,5,PE,190,2.16/5/21.6,PP,230,2.16,ABS,220,10,SAN,220,10,PC,300,120,PMMA,230,3.8,POM,190,2.16,33,切割取样时间,熔体流动速率,/g.10min,-1,试样质量,/g,切割时间,/s,0.10.5,35,240,0.51,46,120,13.5,46,60,3.510,68,30,10,68,515,如果试样的熔体流动速率小于,0.1g/10min,或者大于,100g/10min,，建议不测熔体流动速率。,34,毛细管流变仪,在恒压力或恒速率条件下，用柱塞将料筒中的聚合物熔体从具有一定口径和长径比的毛细管中挤出,通过测定熔体在毛细管中流动的剪切速率和剪切应力，得到聚合物的流动曲线。,剪切速率和温度可以在较大范围进行调节，从而得到十分接近于聚合物加工条件下的流变数据。,35,恒速毛细管流变仪结构示意图,主体部分,料筒、毛细管、压杆、加热炉、测力传感器；,温控部分,热电偶、温控仪表；,机械传动,电机、齿轮箱、速率控制器；,数据采集与处理,计算机,柱塞以一定速度将熔体挤压出毛细管,当熔体从毛细管挤出时，产生的粘性阻力作用在柱塞上,由连接在柱塞上部的测力装置将其测量并记录下来,36,对应着不同的柱塞压下速度,V,，可以测出相应的粘性阻力,F,。,毛细管壁的剪切应力：,传感器测得的粘性阻力值（,F,）,毛细管的剪切应力值,s,剪切应力,37,剪切速率,毛细管壁处的剪切速率：,活塞杆下降速度（,V,）,毛细管壁处的剪切速率,38,剪切速率的表达式是通过牛顿粘性定律推导的,而实际高聚物流体是非牛顿流体,需要对剪切速率进行非牛顿修正，得,修正后的剪切速率：,式中,n,是非牛顿指数，,可通过,lgs,对,lg,作图，任一点切线斜率得到,39,剪切应力和剪切速率,聚合物表观粘度,聚合物各种流动曲线,表观粘度和流动曲线,40,毛细管流变仪的特点,可在较宽范围内调节剪切速率和温度，得到与挤出、注塑等成型加工条件很接近的流变参数。,其常用的剪切速率范围为,10,10,6,/S,，剪切应力为,10,4,10,6,N/m2,。,毛细管流变仪在,低剪切速率下,应用时受到限制，而且,不适宜测量低粘度流体,41,流变的应用范围,高分子熔体,弹性体,热固性材料,涂料，油墨，涂层,食品,化妆品,/,日化,42,高分子,/,塑料,/,熔体,挤出,流体表征,共混相容性,尺寸稳定性,抗冲性,工件会坍塌吗,?,如何获得较好的表面,?,两相材料可获得期望的性能吗,?,冲撞时可以起到保护作用吗,?,充模完全吗,?,43,弹性体与橡胶,冲击特性,(,保险杠发生弯曲还是脆裂,?),玻璃化转变,(,什么温度时变脆,?),阻尼特性,(,这么点橡胶垫可以对我的,CD,唱机防震吗,?),44,涂料，油墨，涂层,涂刷性,(,涂刷时方便吗,?),流平性,(,刷痕会流平吗,?),垂挂性,(,刷在墙壁上的涂料会流下来吗,?),印刷质量,(,印刷时，油墨是停留在印的地方，还是散开来,?),45,流变曲线分辨,MI,不能区别的信息,MI,超高分子量,PE,的纺丝性能,46,粘度与分子量关系,测分子量,低频时差别明显,毛细管流变仪,47,分子量宽度对流变性能的影响,两种,PP,做塑料还是纤维？,注塑位置,48,支化对流变性能的影响,两种,PE,哪种更适合做吹塑？,吹塑位置,49,高分子加工过程中的流变学,离心浇铸,注塑,吹塑,50,高分子粘度的影响因素,分子量,增塑,温度,压力,无机填充,51,研究材料的敏感性,温敏性材料,切敏性材料,以上材料进行注塑，为了降低注射压力，是应该增加温度还是提高注射速率？,52,流变仪,绝对流变仪,测试粘弹性数据与绝对物理单位相关联，如力、长度、时间单位等,能客观表征样品，实验结果可重复,相对流变仪,模拟真实过程的条件，使用缩小的内部混合器测量头（生产用混合器的微缩品）,结果数据不是绝对值,53,转矩流变仪,用于模拟实际生产条件下高分子材料的混合、复合以及塑化性能,并可得到与实际生产相关的流变图，来描述物料的可加工性能和过程流动状态。,物料用量少，所以可在实验室中模拟混炼、挤出等过程,适于生产配方和工艺条件的优选。对聚合物的加工有很重要的意义。,54,55,转矩流变仪的原理,OA,：,AB:,BC:,CD:,DE:,E-,加料、物料升温粘连,物料被压实,开始塑化（软化或熔融）,塑化均匀化,稳定阶段,分解、交联、固化等,56,曲线意义,57,添加剂对流变性能的影响,聚丙烯中加入二叔丁基过氧化物（,DTBP,）,DTBP,使,PP,长链降解,58,材料剪切稳定性,降解开始,59,增塑剂的混合性能,