第3章 高分子流體的流變模型ppt課件

1、精選ppt第第3 3章章 高分子流體的流變模型高分子流體的流變模型精選ppt該章節(jié)的主要內(nèi)容3.1 牛頓流體模型3.2 廣義牛頓流體3.3 冪律流體模型3.4 賓漢塑性流體模型3.5 觸變性流體3.6 震凝性流體3.7 黏彈性流體精選ppt第第3 3章章 高分子流體的流變模型高分子流體的流變模型 拉伸流動(dòng) 簡(jiǎn)單流動(dòng) 剪切流動(dòng) 流體流動(dòng)復(fù)雜流動(dòng) 多種流動(dòng)的疊加精選pptdvdrddt簡(jiǎn)單流動(dòng)的類型1）剪切流動(dòng)定義 速度梯度方向垂直于流動(dòng)方向的流動(dòng) 幾個(gè)物理量切應(yīng)變FA剪切速率切應(yīng)力精選ppt泊蕭葉流由流體靜壓差或外部施加在流體上的壓 力而引起的流體在管道內(nèi)或間隙中的流動(dòng)。拖動(dòng)流由運(yùn)動(dòng)邊界造成的

2、流動(dòng)，也稱庫(kù)愛(ài)特流動(dòng)按照流動(dòng)的邊界條件，剪切流動(dòng)分為：精選ppt雙軸拉伸流動(dòng)單軸拉伸流動(dòng)2）拉伸流動(dòng)定義 速度梯度方向與流動(dòng)方向 一致的流動(dòng)拉伸流動(dòng)的類型按照拉伸力方向，拉伸流動(dòng)分為：精選ppt高分子流體有以下流動(dòng)類型 賓漢塑性流體賓漢塑性流體 牛頓流體牛頓流體 與時(shí)間與時(shí)間無(wú)關(guān)無(wú)關(guān) 假塑性流體假塑性流體 粘性流體粘性流體 膨脹性流體膨脹性流體高分子流體高分子流體 觸變性（搖溶性）流體觸變性（搖溶性）流體 與時(shí)間有關(guān)與時(shí)間有關(guān) 非牛頓流體非牛頓流體 非觸變性（震凝性）非觸變性（震凝性） 流體流體 粘彈性流體粘彈性流體第第3 3章章 高分子流體的流變模型高分子流體的流變模型精選ppt層流：雷若準(zhǔn)

3、數(shù)混流：e湍流：e4000Re=vd/，其中v、分別為流體的流速、密度與黏性系數(shù)，d為特征長(zhǎng)度。例如流體流過(guò)圓形管道，則d為管道直徑。 精選ppt第第3 3章章 高分子流體的流變模型高分子流體的流變模型簡(jiǎn)單剪切流動(dòng)：流體內(nèi)任意一坐標(biāo)為y的流體流動(dòng)的速度vy正比于其坐標(biāo)y，若為穩(wěn)定層流，則正比于流體的高度：則剪切應(yīng)變有剪切應(yīng)變速率有yvvy0tandxdydx dydx dtdvdtdtdydy精選ppt進(jìn)一步線性黏性理論認(rèn)為：要保持穩(wěn)定的流動(dòng)，需的剪切應(yīng)力與剪切速率成正比： 常數(shù)，稱為黏度牛頓流體定律=vvyh精選ppt黏度()體現(xiàn)了流體的性質(zhì)，表示流體流動(dòng)阻力的大小。單位：PasAttent

4、ion：1）對(duì)所有流體，都可以通過(guò)上式定義剪切黏度；2）此公式不是牛頓定律的簡(jiǎn)單變形，即不是牛頓定律的表達(dá)式。精選ppt3.1 3.1 牛頓流體模型牛頓流體模型符合牛頓定律的流動(dòng)稱為牛頓流動(dòng)，或線性黏性流動(dòng)，相應(yīng)的流體則稱為牛頓流體或線性黏性流體。牛頓流體的黏度隨溫度的上升而下降，不隨剪切速率的改變而改變，應(yīng)力與應(yīng)變速率之間符合簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。如，水，酒精，脂類，油類等低分子液體而相應(yīng)的高分子流體，如PE、PP、PVC等，則表現(xiàn)出與牛頓流體完全不同的流體性質(zhì)。精選ppt3.1 3.1 牛頓流體模型牛頓流體模型牛頓流體張量形式的本構(gòu)關(guān)系：牛頓流體的簡(jiǎn)單剪切流動(dòng)：牛頓流體的單軸拉伸流動(dòng)：特魯頓（T

5、routon）公式：=ije = =3=e =3e精選ppt3.1 3.1 牛頓流體模型牛頓流體模型牛頓流體流動(dòng)的一般特點(diǎn)：（1）變形的時(shí)間依賴性：穩(wěn)定后剪切速率不變；（2）流體變形的不可回復(fù)性；（3）能量耗散：外力對(duì)流體所做的功在流動(dòng)中轉(zhuǎn)化為熱能而散失，流動(dòng)不具有記憶效應(yīng)；（4）正比性：應(yīng)力與應(yīng)變速率成正比，黏度與應(yīng)變速率無(wú)關(guān)精選ppt3.2 3.2 廣義牛頓流體廣義牛頓流體對(duì)于高分子流體來(lái)說(shuō)，在一定的流場(chǎng)作用下其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生變化，從而引起黏度的變化。這樣的流體稱為廣義牛頓流體。廣義牛頓流體的黏度模型：1）冪侓定律k是黏度系數(shù)，單位是Pasn；n是流動(dòng)指數(shù)，無(wú)量綱。適合剪切速率大于10

6、s-1的場(chǎng)合1221=2nkI22=2I精選ppt3.2 3.2 廣義牛頓流體廣義牛頓流體包含較低剪切速率區(qū)域的三參數(shù)模型： 是零剪切黏度。2）卡洛模型（Carreau Model）01220=112nkI01021=11na精選ppt3.3 3.3 冪律流體模型冪律流體模型對(duì)于一維方向的簡(jiǎn)單流動(dòng)，冪律定律可簡(jiǎn)化為： 冪律方程K：稠度系數(shù)，K越大，黏度越高，流動(dòng)阻力越大n：非牛頓指數(shù)；等于在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖中曲線的斜率。冪律定律一般適用于中等剪切速率的范圍，在變化不太寬的情況下，K 和n 可以看作是常數(shù)。=nK精選ppt3.3.1 3.3.1 冪律流體冪律流體1nnKK2(1)ndnKd 精選pp

7、t2(1)ndnKd 0dd0dd 當(dāng)n=1時(shí), 流體為牛頓流體； 當(dāng)n1時(shí), 流體為脹塑性流體。0dd精選ppt簡(jiǎn)單討論：（1）對(duì)牛頓型流體， n =1，K = ； 對(duì)假(脹)塑性流體， n 1)； n 偏離1的程度越大，表明材料的假塑性（非牛頓性）越強(qiáng)；n與1之差，反映了材料非線性性質(zhì)的強(qiáng)弱。（2）同一種材料，在不同的剪切速率范圍內(nèi)， n 值也不是常數(shù)。通常剪切速率越大，材料的非牛頓性越顯著， n 值越小。0精選ppt（3）所有影響材料非線性性質(zhì)的因素也必對(duì)n 值有影響。 如溫度下降、分子量增大、填料量增多等，都會(huì)使材料非線性性質(zhì)增強(qiáng)，從而使n 值下降。如填入軟化劑，增塑劑則使n 值上升。

8、（4）冪律方程由于公式簡(jiǎn)單，在工程上有較大的實(shí)用價(jià)值。許多描述材料假塑性行為的軟件設(shè)計(jì)程序采用冪律方程作為材料的本構(gòu)方程。精選ppt3.3.2 3.3.2 假塑性流體假塑性流體 假塑性流體的黏度隨剪切速率的提高而下降，表現(xiàn)出“剪切變稀”現(xiàn)象；多數(shù)的高分子溶液、熔體均屬于假塑性流體，這樣的熔體黏度降低是加工變得更加容易，降低了成型過(guò)程中所需的能量。精選ppt聚合物熔體的結(jié)構(gòu)特征：聚合物熔體中高分子間有位相幾何學(xué)纏結(jié)和范德華交聯(lián)點(diǎn)，這些物理交聯(lián)點(diǎn)在高分子熱運(yùn)動(dòng)中處于不斷解開(kāi)和重建的動(dòng)態(tài)平衡中。也就是說(shuō)，聚合物熔體具有瞬變交聯(lián)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)擬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在剪切流動(dòng)時(shí)，在不同的條件下，擬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破壞和重

9、建的速度不同，會(huì)使聚合物表現(xiàn)出不同的流變行為。精選ppt3.3.2 3.3.2 假塑性流體假塑性流體 定向 伸展 變形 分散假塑性剪切稀化精選ppt lg lg lg0第一牛頓區(qū)： 剪切速率很低，擬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破壞與重建速度相同；只有粘性流動(dòng)，n=1，符合牛頓流動(dòng)定律。 剪切速率較大，擬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破壞速度大于重建速度；流動(dòng)形變中除粘性流動(dòng)外，還有高彈形變；n3.3.2 3.3.2 假塑性流體假塑性流體 a1naK 精選ppt表觀黏度隨剪切速率增加而增大，形成“剪切增稠”現(xiàn)象；流體在很小的剪切應(yīng)力作用下即可能留流動(dòng)，在很高的剪切應(yīng)力下，黏度會(huì)無(wú)限增大，導(dǎo)致物料的破裂。主要是固含量很高的懸浮液、糊狀物、

10、涂料、泥漿、淀粉、高分子凝膠特點(diǎn)：顆粒是分散的，分散相的黏度足夠大，受分散介質(zhì)的浸潤(rùn)很小或完全不浸潤(rùn)。3.3.2 3.3.2 脹塑性流體脹塑性流體 精選ppt第一種機(jī)理解釋：一般認(rèn)為，對(duì)脹塑性聚合物懸浮體系而言，若剪切應(yīng)力不大，粒子全是分開(kāi)的；若剪切應(yīng)力足夠大時(shí)，大量粒子被攪在一起，形成不穩(wěn)定的結(jié)合，同時(shí)大大增加了流動(dòng)的阻力；攪動(dòng)速度越高，粒子結(jié)合幾率增多，阻力也越大。3.3.2 3.3.2 脹塑性流體脹塑性流體 精選ppt第二種機(jī)理解釋：粒子在靜止?fàn)顟B(tài)充填最密，空隙最小，其中有少量的液體填充空隙，在小的剪切應(yīng)力下進(jìn)行流動(dòng)時(shí)，起到了“潤(rùn)滑劑”的作用，所以黏度不高。隨著剪切應(yīng)力的增大，固體顆粒原

11、有的堆砌狀況已經(jīng)不能維持而被逐漸破壞，密集的顆粒體系變成松散的排列，孔隙率增大，體積膨脹造成位阻的增加。黏度增大。3.3.2 3.3.2 脹塑性流體脹塑性流體 精選ppt3.4 3.4 賓漢塑性流體模型賓漢塑性流體模型賓漢流體是指當(dāng)所受的剪切應(yīng)力超過(guò)臨界剪切應(yīng)力 后，才能變形流動(dòng)的流體，也稱塑性流體。但一旦發(fā)生流動(dòng)，其黏度保持不變，呈現(xiàn)牛頓行為。如果超過(guò)臨界剪切應(yīng)力 后呈現(xiàn)剪切變稀或剪切增稠的非牛頓行為，則稱此為廣義賓漢流體。廣義賓漢流體廣義賓漢流體yyyK nyK 精選ppt3.4 3.4 賓漢塑性流體模型賓漢塑性流體模型賓漢流體是最簡(jiǎn)單的塑性流體，膏狀物、牙膏、潤(rùn)滑脂、某些泥漿以及一些高聚

12、物濃溶液和懸浮分散體系多屬于此種類型。在 時(shí)，表現(xiàn)出線性彈性行為，只發(fā)生胡可變形。而當(dāng) 時(shí)，發(fā)生線性黏性流動(dòng)，遵從牛頓定律。其黏度稱為塑性黏度：pyyy精選ppt高分子流體出現(xiàn)賓漢塑性的機(jī)理解釋：在靜止時(shí)，由于極性鍵間的吸引力、分子間力、氫鍵等強(qiáng)烈的相互作用，會(huì)形成分子鏈間的凝膠或三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這些網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的存在使流體在受較低應(yīng)力時(shí)像固體一樣，只發(fā)生彈性變形而不流動(dòng)，只有當(dāng)外力超過(guò)某個(gè)臨界值（y）時(shí)，凝膠或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞，流體才發(fā)生流動(dòng)，固體發(fā)生屈服轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w。3.4 3.4 賓漢塑性流體模型賓漢塑性流體模型精選ppt3.5 3.5 觸變性流體觸變性流體如果剪切速率保持不變，而黏度隨時(shí)間減少，

13、則稱為觸變性流體。 油漆，涂料等觸變性流體的剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化，會(huì)形成一個(gè)觸變滯后圈。精選ppt3.5 3.5 觸變性流體觸變性流體觸變滯后圈由兩部分組成：上升曲線+下降曲線；包含的面積：使材料網(wǎng)絡(luò)或凝膠結(jié)構(gòu)被破壞所需的能量，可以用來(lái)表征觸變性的程度。觸變性與假塑性流體的關(guān)系：觸變性材料一定是假塑性流體，但假塑性材料不一定具有觸變性。精選ppt3.5 3.5 觸變性流體觸變性流體觸變性流體的特征有以下三點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)可逆變化，即當(dāng)外界有一個(gè)力施加于系統(tǒng)時(shí)，伴隨著結(jié)構(gòu)變化，去除外力后，結(jié)構(gòu)回復(fù)；（2）在一定的剪切速率下，應(yīng)力從最大值減小到平衡值；（3）流動(dòng)曲線是一個(gè)滯后環(huán)或回路：對(duì)于觸變流

14、體，當(dāng)破壞與重建達(dá)到平衡時(shí)，體系的黏度最小。精選ppt3.6 3.6 震凝性流體震凝性流體在恒定剪切塑料下，黏度隨時(shí)間增加，或者所需的剪切應(yīng)力隨時(shí)間增加的流體，稱為震凝性流體，或反觸變性流體。 震凝性流體 觸變性流體精選ppt3.6 3.6 震凝性流體震凝性流體震凝性流體是一種具有時(shí)間依賴性的脹塑性流體。如堿性的丁腈橡膠的乳膠懸浮液、飽和聚酯等流變阻力的增加不利于高分子的加工，要盡量避免。機(jī)理：剪切增稠效應(yīng)具有滯后性凡是震凝性流體必然是脹塑體，但脹塑性材料不一定是震凝體。精選ppt3.7 3.7 黏彈性流體黏彈性流體爬桿現(xiàn)象、無(wú)管虹吸、擠出脹大等現(xiàn)象揭示了高分子流體在流動(dòng)中還伴隨著強(qiáng)烈的彈性變

15、形。定義：同時(shí)具有黏性和彈性雙重特征的流體，稱為黏彈性流體。大多數(shù)高分子熔體都具有黏彈性，對(duì)于高分子流體的實(shí)際應(yīng)用，預(yù)先判斷流體黏彈性非常重要，對(duì)高分子材料的加工也具有重要意義精選ppt3.7.1 3.7.1 彈性參數(shù)彈性參數(shù)（1）法向應(yīng)力差第一法向應(yīng)力差N1=txx-tyy第二法向應(yīng)力差N2=tyy-tzz 第一法向壓力差為正值，說(shuō)明 大分子鏈取向引起的拉伸力與 流線平行； 第二法向壓力差一般為負(fù)值，絕對(duì)值約為第一法向應(yīng)力差的1/10。精選ppt（2）可回復(fù)剪切SRSR越小，說(shuō)明法向應(yīng)力差越小，流體的彈性越不明顯；SR越大，流體的彈性效應(yīng)越大。當(dāng)SR1時(shí)，可將流體當(dāng)作黏性流體處理。（3）魏森

16、貝格數(shù)WsWs越小，彈性作用越不明顯，Ws越大，彈性作用越強(qiáng)。()/ 2RxxyyxySTT()/2sxxyyxyRWttS3.7.1 3.7.1 彈性參數(shù)彈性參數(shù)精選ppt（4）德博拉數(shù)DeD是實(shí)驗(yàn)觀察時(shí)間。De是一個(gè)無(wú)量綱時(shí)間，可從時(shí)間角度來(lái)判斷高分子體系的黏彈性。De 1，流體顯示出彈性固體的特性；De 1，流體具有黏彈特性， De 1時(shí)，彈性效應(yīng)較強(qiáng)， De 0）;（2）黏彈性液體，當(dāng)t，G(t)J(t)=0; （3）黏彈性固體，當(dāng)t，G(t)J(t)=1;（4）介于0和之間的任意時(shí)刻，G(t)J(t)1精選ppt定義：在交變應(yīng)力或應(yīng)變作用下，材料表現(xiàn)出的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。例如：滾動(dòng)的輪胎

17、、傳動(dòng)的皮帶、吸收震動(dòng)的消音器等，研究這種交變應(yīng)力下的力學(xué)行為稱為動(dòng)態(tài)力學(xué)行為。以汽車輪胎為例，在車輛行駛時(shí)，汽車輪胎上某一部分一會(huì)兒著地，一會(huì)兒離地，受到的是以一定頻率變化的外力。它的形變也是一會(huì)兒大，一會(huì)兒小，交替地變化著。3.7.3.4 3.7.3.4 動(dòng)態(tài)黏彈行為動(dòng)態(tài)黏彈行為精選ppt（1）小振幅振蕩剪切的基本物理量動(dòng)態(tài)黏彈測(cè)試通常是在小振幅的交變應(yīng)力或應(yīng)變下進(jìn)行的；小振幅的交變應(yīng)力或應(yīng)變不會(huì)破壞高分子熔體或溶液內(nèi)部的分子鏈纏繞結(jié)構(gòu)，材料表現(xiàn)出的是線性的黏彈行為。3.7.3.4 3.7.3.4 動(dòng)態(tài)黏彈行為動(dòng)態(tài)黏彈行為精選ppt通過(guò)動(dòng)態(tài)黏彈性測(cè)量，可以獲得材料黏彈流變行為；可以根據(jù)室溫

18、等效原理，獲得很寬范圍內(nèi)材料的流變性質(zhì)；可以獲得材料的動(dòng)態(tài)黏彈性與穩(wěn)態(tài)黏彈性之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。3.7.3.4 3.7.3.4 動(dòng)態(tài)黏彈行為動(dòng)態(tài)黏彈行為精選ppt在小振幅下，對(duì)高分子材料施加應(yīng)變則有應(yīng)力響應(yīng)為：純彈性體：=0；純黏性材料：= /2；黏彈性材料：0 /2 0( )sintt0( )sin()tt應(yīng)變振幅應(yīng)變振幅振蕩角頻率振蕩角頻率精選ppt用復(fù)數(shù)表示交變的物理量：在小振幅下，對(duì)高分子流體施加正軒變化的應(yīng)變剪切應(yīng)變速率的復(fù)數(shù)形式為：*00()(cossin)iwtiwewtiwt3.7.3.4 3.7.3.4 動(dòng)態(tài)黏彈行為動(dòng)態(tài)黏彈行為*00()cossini wtiwewtiwt*20

19、0()i wtiwtiwiw ew e精選ppt用復(fù)數(shù)表示，其模量和黏度定義如下：黏彈性材料在形變過(guò)程中由于彈性形變而儲(chǔ)存的能量，反映材料彈性大小。黏彈性材料在形變過(guò)程中由于黏性形變（不可逆）而損耗的能量大小，反映材料黏性大小。*00*00()(cossin )iG iwei*200*00()=(sincos )iiweiw( )( )GiG( )( )i 貯能模量貯能模量或彈性模量或彈性模量損耗模量損耗模量或黏性模量或黏性模量3.7.3.4 3.7.3.4 動(dòng)態(tài)黏彈行為動(dòng)態(tài)黏彈行為精選ppt動(dòng)態(tài)模量G*：損耗角正切：動(dòng)態(tài)黏度：22*GGGcos,sinGG tanG G,GGG 3.7.3.4 3.7.3.4 動(dòng)態(tài)黏彈行為動(dòng)態(tài)黏彈行為精選ppt動(dòng)態(tài)黏度曲線與穩(wěn)態(tài)表觀黏度的相似性3.7.3.4 3.7.3.4 動(dòng)態(tài)黏彈行為動(dòng)態(tài)黏彈行為*00lim( )lim( )aww 精選ppt精選ppt精選ppt儲(chǔ)能模量曲線與第一法向應(yīng)力差的相似性12200( )limlim2wwGNw精選ppt（2 2）動(dòng)態(tài)力學(xué)性能）動(dòng)態(tài)力學(xué)性能 高分子材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的約縮曲高分子材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的約縮曲線線3.7.3.4 3.7.3.4 動(dòng)態(tài)黏彈行為動(dòng)態(tài)黏彈行為精選ppt（3）動(dòng)態(tài)流變性與穩(wěn)態(tài)流變性的關(guān)系研究?jī)烧叩年P(guān)系對(duì)于高分子材料的加工有重要的意義：因?yàn)?/p>