流變學及其應用課件

流變學及其應用流變學及其應用1內(nèi)容流變學介紹

基本概念和定義

流體與變形粘性、彈性與粘彈性 粘度與模量

流變測試

剪切與拉伸應變控制與應力控制穩(wěn)態(tài)與動態(tài)蠕變與回復時間溫度疊加分子量與分子量分布應用

熱塑、熱固、溶液、彈性體內(nèi)容流變學介紹2流變學在日常工作中無處不在

－制造和使用產(chǎn)品

原材料

通過加工（變形）

制品產(chǎn)品在外力或變形下使用

性能

流變學是高分子學科的基礎

流變學是實驗和實踐

科學Newton、Einstein與流變學Rheology流變學在日常工作中無處不在

－制造和使用產(chǎn)品原材料3

流變學使生活更有趣

在我們?nèi)粘５纳钪?，通常用“軟、硬、剛性、柔性、彈性、稠、薄、靈活性……”來描述事物。流變學就是研究“軟與硬”的科學。

流變學應用領域：化妝品、洗滌用品、牙膏、食品、陶瓷漿料、輪胎……日常生活中不自覺地用到一些“流變”實驗－手感。流變學使生活更有趣在我們?nèi)粘５纳钪校ǔＳ谩败?、硬、?固體－完全彈性回復流體－完全流動變形理想流體與固體的行為特點H:液高F:施力t應力

:F/Ag應變

:Dx/Hg應變率

:dg/dt=V/Hh粘度

:t/gA:施力面積t應力

:F/Ag應變

:Dx/HG模量

:t/g˙˙Dx:移動距離F:施力A:施力面積H:高度V:流速固體－完全彈性回復理想流體與固體的行為特點H:液高F:施5常用材料(一般材料)的行為描述粘彈性體-部分回復˙部份變形Dx:移動距離F:施力A:施力面積H:高度t應力

:F/Ag應變

:Dx/Hg應變率

:dg/dt=V/HG模量

:t/g－

部分回復H粘度

:t/g－

部分變形如何描述其行為...˙˙常用材料(一般材料)的行為描述粘彈性體-部分回復˙部份變6G’彈性模量

(t’/g0) :彈性儲存能量指標G”粘性模量

(t”/g0) :變形消耗能量指標G*復模量

(S(G’,G”)) :總變形能量指標tand (G”/G’) :損耗因子G*G”G’彈性儲存變形損耗總變形能量tand

損耗因子粘彈性的定義G’彈性模量 (t’/g0) :彈性儲存能量指標G*G7與時間有關的粘彈性行為

PDMS的固體和液體特性極短時間[<1s]較長時間[24小時]與時間有關的粘彈性行為

PDMS的固體和液體特性極短時間[8微觀世界:分子結構的尺寸、溫度與時間松弛時間分布分子運動溫度變化側基運動

主鏈運動

結晶融熔流動tgtbtggtgtatmTgTbTggTgTaTm微觀世界:分子結構的尺寸、溫度與時間側基運動9宏觀世界:應用背景的形變、時間與溫度

流動過程

剪切速率

沉淀(Sediments)

10e-6~10e-4

垂掛/流平(Sagging/Leveling)

10e-2~10e-1

管流(PipeFlow)

10~1000

混合(Mixing) 10~1000

擠出(Extrusion)

1~100

化妝品相關

從瓶中倒出(Pouringfromabottle) 10e1~10e2

擠牙膏(Extrusionoftoothpastefromatube) 10e2

擦護手霜(applicationofhandlotions/creams) 10e2~10e4

涂口紅，指甲油(Applyinglipstick,nailpolish)

10e3~10e4

噴霧(Sprayingaerosols) 10e3~10e5

粘合過程

粘合(Tack) 10e-2~10e-1

鍵合(PressBonding)

10e-1~1

脫粘(Peeling) 10e2~10e4

自動脫粘(Auto-debonding)

10e-3~10e-2宏觀世界:應用背景的形變、時間與溫度10流變學的角色

–

微觀世界與宏觀世界的橋梁分子組成結構

儀器分析高分子科學流變學

加工性˙物性微觀世界

分子量與分子量分布

支化與交聯(lián)

填料與基體材料的相互作用

單相或多相結構

宏觀世界

作為以下參數(shù)的函數(shù)：

應變(應變率)

溫度

時間(頻率)流變學的角色–微觀世界與宏觀世界的橋梁分子組成結構11流變學原理簡介t

*(t)TimeTimeg(t)g(t)t

*(t)TimeTimeg(t)g(t)將粘彈性行為分割為完全彈性與完完全變形行為固體(完全彈性)行為流體(完全變形)行為粘彈體行為tg施加周期性變形測量周期性應力t

*(t)t

“(t)t

‘(t)d流變學原理簡介t*(t)TimeTimeg(t)g(t12平行板夾具間距可調(diào)推薦0.2to2.5mm(根據(jù)樣品的粘度)可棄式平行板夾具 針對熱固性材料齒型平行板

針對易打滑樣品平行板夾具間距可調(diào)錐板/平行板夾具測量材料范圍：高分子熔體

流體

(懸浮液/乳液)由錐度固定夾具間距；

在動態(tài)應變掃描或穩(wěn)態(tài)應變掃描實驗中沒有速度的梯度；等溫實驗；錐板/平行板夾具測量材料范圍：同心圓筒夾具材料材料范圍：

低粘度流體有限穩(wěn)定性的懸浮液對應力敏感性材料的面積效應裝載過程中的加工歷史同心圓筒夾具材料材料范圍：控制參數(shù)形變 低形變屬于線性行為范圍

高形變屬于非線性行為范圍內(nèi)

溫度頻率˙時間

低頻相當于長時間行為

高頻相當于短時間行為測量結果G’G”Tand

*控制參數(shù)16典型流變分析圖形LogG’,tandG’tand溫度頻率低高高低運動小分子運動軟鏈段纏結分子運動自由鏈段運動硬鏈段典型流變分析圖形LogG’,tandG’tand溫度17時間和溫度的影響可互換LogG’,G”G’G”TemperatureDynamicLogG(t)G(t)LogTimeSteadyLogG’,G”G’G”LogFrequencyDynamic長時間或低頻行為:考慮高溫行為短時間或高頻行為:考慮低溫行為時間和溫度的影響可互換LogG’,G”G’G”Te18流變的應用分子量表征最靈敏的玻璃化溫度Tg的檢測工具測量結晶高分子熔點和結晶度溫度依存性可作為材料鑒定的依據(jù)研究交聯(lián)的最好方法建筑材料食品涂料流變的應用分子量表征19■零剪切粘度與分子量的關系■零剪切粘度與分子量的關系零剪切粘度法比GPC法更靈敏零剪切粘度法比GPC法更靈敏21方法依存性靈敏度特點GPCM0.5M-0.5高分子量區(qū)域尺寸效應不明顯本征粘度M0.6M-0.4高分子量區(qū)域稀溶液理論很難成立光散射M1M0高分子量區(qū)域敏感滲透壓M-1M-2低分子量的數(shù)均分子量較好零剪切粘度M3.4M2.4高分子量區(qū)域靈敏度最高

回復柔量(Mz/Mw)3.5….分子量分布最敏感，對分子量不敏感

不同分子量測定方法的比較J.Rheol.38(6),1797(1994)方法依存性靈敏度特點GPCM0.5M-0.5高分子量區(qū)域尺22分子量寬度對流變性能的影響分子量寬度對流變性能的影響支化對流變性能的影響支化對流變性能的影響長鏈支化對流變性能的影響長鏈支化對流變性能的影響快速質量控制:

交叉點與分子量、分子量分布的關系快速質量控制:

交叉點與分子量、分子量分26■最靈敏的玻璃化溫度Tg的檢測工具

玻璃化轉變溫度是這樣一個溫度區(qū)域，這時剛性的無定形材料獲得了足夠的熱能，開始啟動長程蠕動－高分子的主鏈。

Tg是一個區(qū)域，并非一個單點，在某些情況下DSC難以測量。

Tg是一個力學松弛現(xiàn)象，與測試頻率、升溫速率以及熱歷史有關。

■最靈敏的玻璃化溫度Tg的檢測工具玻璃化轉變溫度是這27為什么Tg非常重要？

Tg指明材料是用作塑料還是橡膠(或纖維)？

如果Tg遠低于室溫，該高聚物通常用作彈性體；

如果Tg遠高于室溫，該高聚物通常用作塑料；

低于Tg時，材料通常很硬，剛度很好，可以經(jīng)得起載荷或應力。

高于Tg時，材料通常很軟，柔性很好，可以方便地加工。為什么Tg非常重要？Tg指明材料是用作塑料還是橡膠(28模量的溫度依存性與分子運動模量的溫度依存性與分子運動29頻率對溫度掃描曲線的影響頻率對溫度掃描曲線的影響30哪一種材料可以彈得更高？哪一種材料可以彈得更高？31橡膠輪胎的性能橡膠輪胎的性能32分子量對DMTA圖譜的影響分子量對DMTA圖譜的影響33從損耗源自Tand

判斷聚酯纖維的優(yōu)劣

從損耗源自Tand判斷聚酯纖維的優(yōu)劣34DMA比DSC更靈敏地測量Tg回目錄DMA比DSC更靈敏地測量Tg回目錄356.流變法是測量結晶高分子熔點和結晶度的最好方法

結晶高分子通常都是部分結晶態(tài)，部分無定形態(tài)，在無定形區(qū)結晶，造成微觀上不均勻。

模量通常與結晶度，結晶的形狀及排布有關，而這些通常受熱歷史的影響。

6.流變法是測量結晶高分子熔點和結晶度的最好方法結晶高分36高聚物彈性模量與分子量、結晶的關系高聚物彈性模量與分子量、結晶的關系37后擠出過程回目錄后擠出過程回目錄38■流變法是測量DSC無法測量的次級轉變(,)的最好方法

次級轉變是非常重要的信息，因為它與如下材料特性有關：沖擊強度

吸聲減震性能

氣體或液體滲透性

濕氣和其它添加劑■流變法是測量DSC無法測量的次級轉變(,)的最好方39PE(LDPE）的溫度譜PE(LDPE）的溫度譜40PE(HDPE）的溫度譜PE(HDPE）的溫度譜41PE(LLDPE）的溫度譜PE(LLDPE）的溫度譜42三種不同PE的溫度譜比較三種不同PE的溫度譜比較43影響抗沖強度的因素

影響抗沖強度的因素44HIPS飲料罐的抗沖性

HIPS飲料罐的抗沖性

抗沖添加劑的作用

抗沖添加劑的作用46ABS的抗沖性ABS的抗沖性47次級轉變

對沖擊強度的影響

材料峰低于室溫的來源沖擊強度PC是主鏈高Teflon是主鏈高PE是主鏈高PVC是主鏈高PVC+10%增塑劑否低PS否低PS+5%橡膠是多相體系高P(cyclohexyl)MA是側基低次級轉變對沖擊強度的影響材料峰低于室溫的來源■溫度依存性可作為材料鑒定的依據(jù)每一種高分子材料都有特定的

Tg,Tm和次級轉變峰。這些轉變的組合或“圖譜”就是鑒定材料的“指紋”。

■溫度依存性可作為材料鑒定的依據(jù)每一種高分子材料都有特定的49PP的溫度譜PP的溫度譜50PMMA的溫度譜PMMA的溫度譜51PPS的溫度譜PPS的溫度譜52PET的溫度譜PET的溫度譜53MildSeven包裝薄膜的溫度譜MildSeven包裝薄膜的溫度譜54PTFE的溫度譜PTFE的溫度譜55■研究交聯(lián)的最好方法

模量與交聯(lián)密度有直接的關系.

G=1/3E=RT/Mc=RT=f/2CxRT其中：G:剪切模量E:楊氏模量

:密度

R:氣體常數(shù)T:溫度(K) Mc:交聯(lián)點間的分子量 :單位體積內(nèi)鏈的摩爾數(shù)

Cx:f－函數(shù)交聯(lián)摩爾數(shù)

摘自LENielsen“MechanicalPropertiesofPolymersandComposites”,page169,2ndedition,MarcelDekker,1994■研究交聯(lián)的最好方法模量與交聯(lián)密度有直接的關系.56交聯(lián)、固化后的效果交聯(lián)、固化后的效果57檢測固化過程(最小粘度、凝膠點)檢測固化過程(最小粘度、凝膠點)58準確測定凝膠點：多波模式－損耗因子曲線的交叉點準確測定凝膠點：多波模式－損耗因子曲線的交叉點59一種熱固性樹脂固化的周期

(固化過程中施加一定的壓力，降低氣泡成核)

一種熱固性樹脂固化的周期

(固化過程中施加一定60水汽對環(huán)氧固化的影響水汽對環(huán)氧固化的影響61粘度與溫度的依存性可作為判斷優(yōu)劣的根據(jù)

粘度與溫度的依存性可作為判斷優(yōu)劣的根據(jù)62配方優(yōu)化配方優(yōu)化63添加硬脂酸鋅降低注射時樹脂粘度，但不影響固化時間

添加硬脂酸鋅降低注射時樹脂粘度，但不影響固化時間64工藝條件優(yōu)化工藝條件優(yōu)化65■建筑材料■建筑材料66特殊夾具設計特殊夾具設計67屈服應力的測量屈服應力的測量68結構破壞后的回復結構破壞后的回復69Vw/Vp對流變性能的影響Vw/Vp對流變性能的影響70塑性粘度對多孔材料的影響塑性粘度對多孔材料的影響71水泥穩(wěn)定劑對流變性能的影響水泥穩(wěn)定劑對流變性能的影響72■食品流動曲線和粘度曲線屈服應力■食品流動曲線和粘度曲線73巧克力的質構巧克力的質構74巧克力的粘度測試標準巧克力的粘度測試標準75粘度測試標準粘度測試標準76樣品準備樣品準備77樣品測試過程樣品測試過程78結果表達要求結果表達要求79不同加工歷史對流動性能的影響不同加工歷史對流動性能的影響80不同溫度對流動性能的影響不同溫度對流動性能的影響81不同測量時間對流動性能的影響不同測量時間對流動性能的影響82不同數(shù)據(jù)處理方式對實驗結果的影響不同數(shù)據(jù)處理方式對實驗結果的影響83不同測量夾具對結果的影響不同測量夾具對結果的影響84■涂料、油墨、涂層涂刷性

(涂刷時方便嗎?)流平性

(刷痕會流平嗎?)垂掛性

(刷在墻壁上的涂料會流下來嗎?)印刷質量(印刷時，油墨是停留在印的地方，還是散開來?)高速印刷相容性

(油墨會堆在滾筒上嗎?)■涂料、油墨、涂層涂刷性85剪切速率與涂料使用時的關系剪切速率與涂料使用時的關系86剪切速率與涂料使用時的關系剪切速率與涂料使用時的關系87剪切速率與涂料性能的關系剪切速率與涂料性能的關系88流變與涂料垂掛性的關系流變與涂料垂掛性的關系

動態(tài)時間掃描以及穩(wěn)態(tài)階躍應變掃描實驗

動態(tài)時間掃描以及穩(wěn)態(tài)階躍應變掃描實驗90流變學及其應用課件動態(tài)模量與涂料儲藏期的關系動態(tài)模量與涂料儲藏期的關系涂層噴塑的要求高剪切速率下穩(wěn)定快速粘度回復

偽塑性

優(yōu)化的彈性

較小的發(fā)泡趨勢

Time,sViscosityHighShearRate106s-1LowShearRate1s-1涂層噴塑的要求高剪切速率下穩(wěn)定Time,sViscosit抗垂掛性添加劑對涂料流變性的影響

抗垂掛性添加劑對涂料流變性的影響94快速對照表動態(tài)溫度掃描動態(tài)頻率掃描動態(tài)應變掃描動態(tài)時間掃描穩(wěn)態(tài)速率掃描應力松弛抗沖性次級轉變性能線性區(qū)耐熱性橡膠態(tài)－粘流態(tài)轉變溫度MFI粘度曲線橡膠硫化升溫硫化線性區(qū)等溫硫化老化性能在線評估老化MWDTTS擴展頻率范圍進行QC松弛時間譜瀝青分級實驗改性效果回彈性線性及非線性高分子合金相容性研究快速對照表動態(tài)溫度掃描動態(tài)頻率掃描動態(tài)應變掃描動態(tài)時間掃描穩(wěn)賽默飛世爾科技在中國流變學及其應用課件96賽默飛世爾科技－市場優(yōu)勝能力公司實驗室設備科學儀器實驗室信息管理實驗室服務在線/過程儀表賽默飛世爾

美國應用生物系統(tǒng)

安捷倫科技

貝克曼庫爾特

通用電氣醫(yī)療集團

梅特勒托利多

珀金埃爾默

沃特斯

瓦里安

實驗室、在線分析檢測和制造業(yè)廣泛的解決方案賽默飛世爾科技－市場優(yōu)勝能力公司實驗室設備科學儀器實驗室ThermoFisherScientific商務支持服務于中國客戶區(qū)域覆蓋200位銷售與服務支持人員6個辦事處在中國其它地區(qū)渠道建設完善培訓與應用支持上?？蛻糁行呐嘤柗杖€產(chǎn)品應用專員服務儀器支持教育性與專業(yè)性服務符合