高分子材料流变学

【名词解释】1.假塑性流体：黏度随剪切速率的增加而降低的流体，粘度与剪切应力之间的关系服从幂律定律，其中，非牛顿指数n12.膨胀性流体:黏度随剪切速率的增加而升高的流体，粘度与剪切应力之间的关系服从幂律定律，其中非牛顿指数n13.宾汉流体:指当所受的剪切应力超过临界剪切应力后，才能变形的流动的流体，亦称塑性流体，其中剪切应力与剪切速率服从τ=τy+ηpγ4.牛顿流体:剪切应力与剪切速率之间呈线性关系，表达式为τ=μγ的流体5.剪切变稀：粘度随剪切速率升高而降低6.爬杆效应：当金属杆在盛有高分子流体的容器中旋转，熔体沿杆上爬的现象7.挤出胀大：聚合物熔体挤出圆形截面的毛细管时，挤出物的直径大于毛细管模直径8.熔体破裂：聚合物熔体在毛细管中流动时，当剪切速率较高时，聚合物表面出现不规则的现象，如竹节状，鲨鱼皮状9.无管虹吸：当插入聚合物溶液中的玻璃管，提离液面之上时，聚合物溶液继续沿玻璃管流出的现象10.第一法向应力差：高聚物熔体流动时，由于弹性行为，受剪切的作用时，产生法向应力差，其中满足关系式N1=τ11−τ22=φ1∗γ212(N1通常为正值)11.第二法向应力差：同上，关系式为N2=τ22−τ33=φ2∗γ212(N2通常为负值)12.本构方程：是一类联系应力张量和应变张量或应变速率张量之间的关系方程，而联系的系数通常是材料的常数。13.剪切应力：单位面积上的剪切力，τ=FA14.剪切速率：流体以一定速度沿剪切力方向移动。在黏性阻力和固定壁面阻力的作用力，使相邻液层之间出现速度差,γ=dvdy也可理解成一定间距的液层，在一定时间内的相对移动距离。15．高分子流变学：研究高分子液体，主要是指高分子熔体干分子溶液在流动状态下的非线性粘弹性行为。以及这种行为与材料结构及其他物理化学的关系。16．出膨胀现象：高分子熔体被迫基础口模时，挤出物尺寸大于口模尺寸截面积形象黄也发生变化的现象【简答题】1.常用的聚合物流变仪有：毛细管型流变仪、转子型流变仪、组合式转矩流变仪、振荡型流变仪、落球式黏度计、其他类型流变仪（拉伸流变仪、缝模流变仪和弯管流变仪等）2.流变测量的目的：（1）物料的流变学表征。（2）工程的流变学研究和设计。（3）检验和指导流变本构方程理论的发展。3.高聚物的粘性流动的特点：1.流动机理是链段相继跃迁2.流动粘度大，流动困难，而且粘度不是一个常数3.流动时有构象变化，产生“弹性记忆”效应4.影响挤出胀大效应的因素：链结构、配方、切变速率与温度稳定挤出的措施：(1)加料口供料速度必须均匀.（2）减少螺槽深度h和减少机筒与螺杆突棱的间隙δ.（3）调节机头流通系（4）适当降低挤出温度（5）适当增加螺杆长度5.影响熔体挤出破裂行为因素：一是口模的形状和尺寸；二是挤出成型过程的工艺条件；三是挤出物料的性质。6．牛顿流体包括那些类型？（1）宾汉流体（2）假塑性流体（3）胀流形流体（4）触变体（5）震凝体7．什么是可恢复形变量，它是描述材料什么效应的物理量？可恢复性变量表征着液体在形变过程中储存弹性能的大小Sr=Je·σwJe为稳态弹性柔量σw为相应的器壁剪切应力描述材料的粘性和弹性效应8．分子量大的材料其性能指标往往越高，为什么实际生产中却要适当控制分子量？因为在生产中分子量过高，会发生自动加速现象和爆聚现象，会导致聚合物粘度增大，性能下降。还有分子量太大会导致加工性能降低。入口压力降产生原因？（1）物料从料口进入口模时，熔体粘滞流动流线在入口处产生收敛所引起的能量损失(2)在入口处由于聚合物熔体产生弹性形变，因弹性能的储蓄所造成的能量消耗(3)熔体流经入口处时，由于剪切速率的剧烈增加而引起速度的激烈变化，为达到稳定的流速分布所造成的压力降9.转子流变仪的类型？（1）锥一板型流变仪(2)平行版型流变仪(3)同轴圆筒形流变仪9．什么是粘流活化能？聚甲醛与聚碳酸酯粘度随应力的变化有什么区别？为什么？答：粘流活化能在流动过程中交流动单元用于克服位垒，由原位置越前到附近空穴所需的最小能量。聚甲醛的粘度变化比聚碳酸酯粘度变化要大，因为聚甲醛是柔性链，聚碳酸酯是刚性链，刚性链的粘流活化能较高，而柔性连具有较多的缠结，因而对应力更为敏感。10.消除（减轻）熔体破裂现象的措施：（1）适当降低分子量，加宽分子量分布；（2）适当升高挤出温度，但应防止交联、降解。某些情况下如顺丁橡胶可利用低温光滑区挤出；（3）适当降低挤出速度，某些情况下，可利用高速的第二光滑区；（4）用喇叭型的口型，可提高rcrit，可消除死角；（5）加入填充补强剂和增塑剂。11．什么是剪切变稀，试述高分子流体剪切变稀两种机理？答:对大多数高分子液体而言，即使温度不发生变化，粘度也会随剪切速率增大而下降，呈现典型的剪切变稀行为。机理一：高分子构象改变，体系流动所受到剪切力很小时，构象变换很慢，分子运动松弛，体系粘度不变，呈现牛顿流体特点。当剪切应力或剪切速率较大时大分子链发生取向，构象发生明显变化，体系没有足够时间松弛取向的大分子见相对流动阻力减小，体系黏度下降，发生剪切变稀的假塑性现象。机理二:类似香蕉液体理论，无规线团的柔性分子扭曲成几何缠结，大分子链之间缠结与分子热运动有关，再确定外部条件下，缠结点的形成速率与破坏速率相等，一次网状结构缠结点密度大致处于动态平衡过程，外部条件如剪切应力变大，就会导致缠结点的破坏速率大于形成速率，是体系内平均缠结点密度下降，出现剪切变稀现象。12．什么是韦森堡效应?原因？答：与牛顿流体不同，盛在容器的高分子液体，当插入其中的圆棒旋转时，没有因惯性甩向容器壁附近，反而绕在旋转棒上，出现向上爬的爬竿现象。原因是：高分子液体是一种有弹性的液体，旋转流动的具有弹性的高分子链，令其延圆周方向全下个出现拉伸变形，产生常州新的压力迫使液体爬升。13.什么是熔体破裂现象？LDPE与HDPE熔体破裂有什么区别？造成这种现象的原因是什么？答：（1）高分子熔体从口模中挤出时，当速度过高，超过某一临界剪切速度时，容易出现弹性流湍，导致流动不稳定，挤出物表面粗糙，随挤出速度增大，可能出现波浪形，鲨鱼皮形，竹节形，螺旋形畸变，最后导致不规则的挤出物断裂，称为熔体破裂现象。（2）LDPE:破裂特征是先呈现粗糙表面，当挤出γ超出临界剪切速率发生熔体破裂时，呈现无规破裂状。HDPE:熔体破裂的特征是先呈现粗糙表面，而后随着γ的提高逐步出现有规则畸变如竹节状螺旋形畸变等，γ很高时出现无规则破裂。(3)原因：LDPE为支链和大侧基聚合物，而HDPE为线型分子聚合物。LDPE其应力主要集中在口模入口处，且入口处的流线呈典型喇叭形收缩，在口模死角处出现环流或涡流,HDPE其流动时的应力集中效应主要不在口模入口处，而是发生在口模内壁附近，口模入口区不村子死角环流。14．分子无管虹吸现象形成的原因？答：与高分子液体的弹性行为有关，这种高分子的弹性性质使之容易产生拉伸流动，而且拉伸液体的表面相当稳定，实验证明高分子浓溶液和熔体都具有这种性质，因而能产生稳定的拉伸变形，具有良好的纺丝和成膜能力15．什么是空压误差?形成原因？答：测量流体内压力时，若压力传感器端面安装低于流道壁面，形成凹槽，则测得高分子液体内压力低于压力传感器端面与流道壁面相平行时的压力，这种压力误差称为空压误差。原因：槽附近流线发生弯曲但法向应力差效应使流线伸直作用，于是产生了背向凹槽的力。16．什么是零切粘度表现粘度微分粘度法向应力差。表现粘度：与牛顿粘度定义相类比，将牛顿流体的粘度定义为剪切应力与剪切速率之比，即ηa=σ（γ）/dγ。微分粘度：ηc=dσ（γ）/dγ，它等于过曲线上一点切线的斜率。第一法向量差：沿流动方向的压力与垂直流动方向压力之差N1=σ11—σ22.第二法向应力差：N2=σ22—σ3317．两相高分子共混体系的分散体系的分散形态主要包括哪两种类型，其特征是什么？(1)一相为连续相，一项为分散相(2)特征:分散相以不同的形状大小分布在连续相中，而究竟哪一相为连续相，哪一项为分散相，既取决于两相的体积比·粘度比·弹性比及界面张力，还取决于共混设备和共混条件；一般混溶性较好，分散相相畴较小，分散越均匀，两相界面越模糊，表明两相之间形成稳定的界面层，两相的结合能力较强。（2）两相均为连续相，形成交错行网状结构，此时两相互相贯穿，均连续性的充满全部试样，分不清哪个是分散相，哪个是连续相。互相贯穿程度取决于两相的混溶性，一般混溶性越好，亮相相互作用越强，两相互锁结构的相畴越小18．SBS热塑性弹体，低温E1=6.8Kcal/mol，高温E2=2.4Kcal/mol，为什么？原因是在低温区，软段二烯相（PB）先生流动，由于苯乙烯嵌段尚被冻结，其较大的区域牵制作用，故流动活化能较高，到高温区PS、PB嵌段均能顺利运动，此时P的粘流活化能较低。另外在Tf以下、Tg以上范围内，共混物粘度不再遵循WLF方程。毛细管流变仪原理：根据测量原理的不同，毛细管流变仪分为恒速型和恒压型两类，恒速型仪器预置柱塞下压速度为恒定，待测定的量为毛细管两端压差，恒压型仪器预置柱塞前进压力为恒定，待测量为物料的挤出速度即流量。毛细管流变仪主要优点：（1）操作简单，测量准确，测量范围广（2）毛细管中物料的流动与某些加工成型过程中物料流动形式相仿，因而具有实用价值；（3）不仅可测量物料的剪切粘度，还可通过对挤出行为的研究，讨论物料的弹性行为。缺点：（1）τ、r随毛细管半径而变；（2）不能测定与时间相关的粘弹特性；（3）存在较多误差，精度不高。毛细管流变仪应用：（１）聚合物剪切粘度的究（２）聚合物熔体弹性的研究转矩流变仪基本结构与原理：（1）流变仪主体、混合测量装置、电控仪表系统（2）：采用混合器测试时，高聚物以粒子或粉末的形式自加料口加入到密闭混炼室中，物料受到上顶栓的压力，并且通过转子表面与混合室壁之间的剪切、搅拌、挤压，转子之间的捏合、撕扯，转子轴向翻捣、捏炼等作用，实现物料的塑化、混炼，直至达到均匀状态。实验中通过记录物料在混合过程中对转子产生的反扭矩以及温度随时间的变化，来研究物料在加工过程中的分散性能、流动行为及结构变化。优点：可模拟多种高分子材料实际加工过程，如小型密闭式混合器，小型螺杆挤出器用途：原材料的检验与研究＼聚合物交联过程研究＼高分子材料的熔融塑化行为＼高分子材料的热稳定性＼反应性加工过程的反应程度＼流动与材料烧焦的关系＼增塑剂的吸收特性＼热固性塑料的挤出行为等．