高分子流变学讲义第一章

1高分子流变学高分子流变学郝文涛郝文涛合肥工业大学化工学院合肥工业大学化工学院2郝文涛，合肥工业大学化工学院致谢致谢本本PPTPPT是建立在诸多优秀教材的基础上的，是建立在诸多优秀教材的基础上的，比如比如《《聚合物加工流变学聚合物加工流变学》》（周彦豪）；（周彦豪）；《《高聚物流变学及其应用高聚物流变学及其应用》》（徐佩弦）；（徐佩弦）；《《高分子材料流变学高分子材料流变学》》（吴其晔）等，在（吴其晔）等，在此向各位前辈致敬！此向各位前辈致敬！本本PPTPPT在制作过程中曾经参考了许多知名学在制作过程中曾经参考了许多知名学者的研究论文。此外，本者的研究论文。此外，本PPTPPT也借鉴了一些也借鉴了一些其他高校的优秀其他高校的优秀PPTPPT，一并表示感谢！，一并表示感谢！3郝文涛，合肥工业大学化工学院目目录录第一章第一章绪论绪论第二章第二章流变学基本概念流变学基本概念第三章第三章流变学测量流变学测量第四章第四章高聚物熔体的弹性与粘度的影响因素高聚物熔体的弹性与粘度的影响因素第五章第五章流变学基础方程与初步应用流变学基础方程与初步应用第六章第六章高分子合金的流变学高分子合金的流变学4郝文涛，合肥工业大学化工学院第一章第一章绪论绪论第一节第一节流变学的发展流变学的发展第二节第二节高分子流变学概述高分子流变学概述第三节第三节流变学与聚合物工业的关系流变学与聚合物工业的关系第四节第四节流变学在化妆品中的应用流变学在化妆品中的应用5郝文涛，合肥工业大学化工学院第一节第一节流变学的发展流变学的发展一．一．定义定义••流变学是研究材料流变学是研究材料的的流动流动和和变形变形的科学，的科学，它是一门介于力学、化学、物理与工程科学它是一门介于力学、化学、物理与工程科学之间的新兴交叉学科（这里说的材料既包括之间的新兴交叉学科（这里说的材料既包括流体形态，也包括固体形态的物质）。流体形态，也包括固体形态的物质）。6郝文涛，合肥工业大学化工学院流变学是研究材料流变学是研究材料的流动的流动和变形的科学和变形的科学一般情况下，实际材料往往表现出非理想一般情况下，实际材料往往表现出非理想弹性，亦非理想粘性的力学性质。弹性，亦非理想粘性的力学性质。如沥青、粘土、橡胶、石油、蛋清、血浆、食如沥青、粘土、橡胶、石油、蛋清、血浆、食品、化工原材料、泥石流、地壳，尤其是形形品、化工原材料、泥石流、地壳，尤其是形形色色高分子材料和制品。色色高分子材料和制品。它们既能流动，又能变形；既有粘性，又有弹它们既能流动，又能变形；既有粘性，又有弹性；变形中会发生粘性损耗，流动时又有弹性性；变形中会发生粘性损耗，流动时又有弹性记忆效应，粘弹性结合，流变性并存。记忆效应，粘弹性结合，流变性并存。27郝文涛，合肥工业大学化工学院流变学是研究材料流变学是研究材料的流动的流动和变形的科学和变形的科学对于这类材料，仅用牛顿流动定律或虎克对于这类材料，仅用牛顿流动定律或虎克弹性定律已无法全面描述其复杂力学响应弹性定律已无法全面描述其复杂力学响应规律，必须发展一门新学科规律，必须发展一门新学科————流变学流变学对对其进行研究。其进行研究。8郝文涛，合肥工业大学化工学院流动与变形又是两个紧密相关的概念。在流动与变形又是两个紧密相关的概念。在时间长河中，万物皆流，万物皆变。时间长河中，万物皆流，万物皆变。流动可视为广义的变形，而变形也可视为流动可视为广义的变形，而变形也可视为广义的流动。广义的流动。两者的差别主要在于外力作用时间的长短两者的差别主要在于外力作用时间的长短及观察者观察时间的不同。及观察者观察时间的不同。流变学是研究材料流变学是研究材料的流动的流动和变形的科学和变形的科学9郝文涛，合肥工业大学化工学院流变学是研究材料流变学是研究材料的流动的流动和变形的科学和变形的科学按地质年代计算，坚硬的地壳也在流动，按地质年代计算，坚硬的地壳也在流动，地质学中著名的地质学中著名的““板块理论板块理论””揭示了亿万年揭示了亿万年来地球大陆板块的变化和运动。来地球大陆板块的变化和运动。另一方面，如果以极快的速度瞬间打击某另一方面，如果以极快的速度瞬间打击某种液体时，甚至连水都表现了一定的种液体时，甚至连水都表现了一定的““反弹反弹性性””。。10郝文涛，合肥工业大学化工学院二．二．流变学产生的简史与发展流变学产生的简史与发展1.1.流变学的诞生：宾汉（奠基人）与雷诺的故事。流变学的诞生：宾汉（奠基人）与雷诺的故事。宾汉EugeneCookBingham1878~1945，美国化学家，流变学（Rheology）的奠基人雷诺是英国著名的工程师，物理学家和教育家，毕生对水力学和流体力学的研究做出了重要贡献。11郝文涛，合肥工业大学化工学院流变学的诞生和研究对象流变学的诞生和研究对象科学网，王振东的博客科学网，王振东的博客=219864=21986412郝文涛，合肥工业大学化工学院2.2.流变学的发展流变学的发展①①流变学出现在流变学出现在2020世纪世纪2020年代年代学者们在研究橡胶、塑料、油漆、玻璃、混凝学者们在研究橡胶、塑料、油漆、玻璃、混凝土，以及金属等工业材料；岩石、土、石油、土，以及金属等工业材料；岩石、土、石油、矿物等地质材料；矿物等地质材料；以及血液、肌肉骨骼等生物材料的性质过程以及血液、肌肉骨骼等生物材料的性质过程中，发现使用古典弹性理论、塑性理论和牛顿中，发现使用古典弹性理论、塑性理论和牛顿流体理论已不能说明这些材料的复杂特性。流体理论已不能说明这些材料的复杂特性。于是就产生了流变学的思想。于是就产生了流变学的思想。313郝文涛，合肥工业大学化工学院古典弹性理论–虎克定律牛顿流体理论–粘度为常数，剪切应力与剪切速率成正比牛顿流体理论–粘度为常数，剪切应力与剪切速率成正比14郝文涛，合肥工业大学化工学院②②麦克斯韦的贡献麦克斯韦的贡献英国物理学家麦克斯韦和开尔文很早就认识到材英国物理学家麦克斯韦和开尔文很早就认识到材料的变化与时间存在紧密联系的时间效应。料的变化与时间存在紧密联系的时间效应。麦克斯韦在麦克斯韦在18691869年发现，材料可以是弹性的，又年发现，材料可以是弹性的，又可以是粘性的。可以是粘性的。对于粘性材料，应力不能保持恒定，而是以某一对于粘性材料，应力不能保持恒定，而是以某一速率减小到零，其速率取决于施加的起始应力值速率减小到零，其速率取决于施加的起始应力值和材料的性质。这种现象称为应力松弛。和材料的性质。这种现象称为应力松弛。许多学者还发现，应力虽然不变，材料棒却可随许多学者还发现，应力虽然不变，材料棒却可随时间继续变形，这种性能就是蠕变或流动。时间继续变形，这种性能就是蠕变或流动。15郝文涛，合肥工业大学化工学院③③早期国际流变学发展早期国际流变学发展经过长期探索，人们终于得知，一切材料都具有经过长期探索，人们终于得知，一切材料都具有时间效应，于是出现了流变学，并在时间效应，于是出现了流变学，并在2020世纪世纪3030年年代后得到蓬勃发展。代后得到蓬勃发展。19291929年，在年，在E.C.BinghamE.C.Bingham教授的倡议下，美国创教授的倡议下，美国创建流变学会；建流变学会；19391939年，荷兰皇家科学院成立了以年，荷兰皇家科学院成立了以伯格斯教授为首的流变学小组；伯格斯教授为首的流变学小组；19401940年英国出现年英国出现了流变学家学会。当时，荷兰的工作处于领先地了流变学家学会。当时，荷兰的工作处于领先地位，位，19481948年首届国际流变学会议就是在荷兰举行年首届国际流变学会议就是在荷兰举行的。的。法国、日本、瑞典、澳大利亚、奥地利、捷克斯法国、日本、瑞典、澳大利亚、奥地利、捷克斯洛伐克、意大利、比利时等国也先后成立了流变洛伐克、意大利、比利时等国也先后成立了流变学会。学会。16郝文涛，合肥工业大学化工学院3.3.目前关于流变学的研究十分活跃目前关于流变学的研究十分活跃流变学研究队伍日趋壮大流变学研究队伍日趋壮大日本，美国，中国研究人员都有不同程度增加日本，美国，中国研究人员都有不同程度增加流变学学术交流日趋频繁流变学学术交流日趋频繁国际会议不断，各成员国内部会议也很频繁国际会议不断，各成员国内部会议也很频繁流变学研究领域日趋广泛流变学研究领域日趋广泛研究成果涉及到研究成果涉及到““计算流变学计算流变学””、、““流动稳定性流动稳定性””、、““泡沫、泡沫、乳胶和表面活化剂乳胶和表面活化剂””、、““食品和生物材料流变学食品和生物材料流变学””、、““材材料加工流变学料加工流变学””、、““微结构模型微结构模型””、、““纳米流变学和微观纳米流变学和微观流体流体””、、““非牛顿流体流变学非牛顿流体流变学””、、““聚合物熔体聚合物熔体””、、““聚合聚合物溶液物溶液””、、““流变仪器和实验方法流变仪器和实验方法””、、““固体和复合材料固体和复合材料””、、““悬浮体和胶质悬浮体和胶质””、、““应用流变学和其他应用流变学和其他””等分支学科。等分支学科。17郝文涛，合肥工业大学化工学院4.4.流变学应用流变学应用①①流变学与现代工业流变学与现代工业流变学的发展同世界经济发展和工业化进程流变学的发展同世界经济发展和工业化进程密切相关。密切相关。现代工业需要耐蠕变、耐高温的高质量金属、现代工业需要耐蠕变、耐高温的高质量金属、合金、陶瓷和高强度的聚合物等，因此同固合金、陶瓷和高强度的聚合物等，因此同固体蠕变、粘弹性和蠕变断裂有关的流变学迅体蠕变、粘弹性和蠕变断裂有关的流变学迅速发展起来。速发展起来。核工业中核反应堆和粒子加速器的发展，为核工业中核反应堆和粒子加速器的发展，为研究由辐射产生的变形打开新的领域。研究由辐射产生的变形打开新的领域。18郝文涛，合肥工业大学化工学院②②流变学与地球科学流变学与地球科学在地球科学中，人们很早就知道时间过程在地球科学中，人们很早就知道时间过程这一重要因素。这一重要因素。流变学为研究地壳中极有趣的地球物理现流变学为研究地壳中极有趣的地球物理现象提供了物理象提供了物理--数学工具，如冰川期以后的数学工具，如冰川期以后的上升、层状岩层的褶皱、造山作用、地震上升、层状岩层的褶皱、造山作用、地震成因以及成矿作用等。成因以及成矿作用等。对于地球内部过程，如岩浆活动、地幔热对于地球内部过程，如岩浆活动、地幔热对流等，现在则可利用高温、高压岩石流对流等，现在则可利用高温、高压岩石流变试验来模拟，从而发展了地球动力学。变试验来模拟，从而发展了地球动力学。419郝文涛，合肥工业大学化工学院③③流变学与土木工程流变学与土木工程在土木工程中，建筑的土地基的变形可延在土木工程中，建筑的土地基的变形可延续数十年之久。续数十年之久。地下隧道竣工数十年后，仍可出现蠕变断地下隧道竣工数十年后，仍可出现蠕变断裂。裂。因此，土流变性能和岩石流变性能的研究因此，土流变性能和岩石流变性能的研究日益受到重视。日益受到重视。20郝文涛，合肥工业大学化工学院三．三．流变学的研究对象流变学的研究对象1.1.流动的固体流动的固体：是指弹性形变与粘性流动同时存：是指弹性形变与粘性流动同时存在的物体。在的物体。11））““弹性形变弹性形变””是指短暂的，能恢复原状的形变；是指短暂的，能恢复原状的形变；22））““粘性流动粘性流动””是指持续的、不能恢复原状的形变。是指持续的、不能恢复原状的形变。固体只有弹性形变的物体；流体只有粘性流动的物体。实际上，同时具有这两种性质的物体是很多的。21郝文涛，合肥工业大学化工学院22郝文涛，合肥工业大学化工学院2.2.非牛顿流体非牛顿流体：：不符合牛顿粘性定律