毛細管流變儀

流變學

流變學是力學中一門較新的分支學科，它主要研究各種材料在應力、應變、溫度、濕度、輻射等條件中與時間有關的變形和流動的規(guī)律。

研究方法  主要有宏觀與微觀兩種：

宏觀法即經(jīng)典的唯象研究方法，是將聚合物看作由連續(xù)質(zhì)點組成，材料性能是位置的連續(xù)函數(shù)，研究材料的性能是從建立粘彈模型出發(fā),進行應力-應變或應變速率分析。

微觀法即分子流變學方法，是從分子運動的角度出發(fā)，對材料的力學行為和分子運動過程進行相互關聯(lián)，提出材料結構與宏觀流變行為的聯(lián)系。(珠簧相空間理論、分子網(wǎng)絡理論、蛇行管理論）

領域

聚合物 – 我們需要理解熔體流動性能，從而設計模具等

食品 – 良好的外觀、質(zhì)地和加工特性

涂料 – 儲存壽命和表面流平性能

墨水 – 打印清晰度和準確計量

醫(yī)藥– 正確的配方定量，沉降性能等

還有：泥漿、鉆井液、瀝青、橡膠等

非牛頓流體

流變學研究對象：

包括非牛頓流體、粘彈性固體和流體與固體之間的物質(zhì)（如懸浮體）。

對于高分子來說，絕大多數(shù)的成型加工都是熔融狀態(tài)下進行的，特別是熱塑性塑料加工。因此，高聚物在粘流溫度下的流動性和彈性，是其成型加工的首要性能。

非牛頓流體定義：凡不服從牛頓粘性定律的流體稱為非牛頓流體。

即：在一定溫度下，流體剪切應力與剪切速率不成正比的線性關系，其粘度不是常數(shù)，而是隨剪切應力或剪切速率而變化的非牛頓粘度η。

剪切形變-流變學基本定義

剪切應力（Shear stress, σ）

單位面積所受的剪切力

剪切應變（Shear strain, γ）

剪切形變除以高度

剪切（應變）速率（Shear rate, γ ）

剪切應變的快慢

剪切粘度（Shear viscosity, η）

剪切應力除以剪切速率

解釋 :

應力：單位面積上的力                      (多少)

應變：相對樣品尺寸上的變形幅度    (多大)

剪切速率：隨時間應變的變化率       (多快)

剪切粘度：在一定的條件下熔體是否容易流動

高分子材料流動性特點

粘度大流動性差：這是因為高分子鏈的流動是通過鏈段的相繼位移來實現(xiàn)分子鏈的整體遷移，類似蚯蚓的蠕動。

不符合流動規(guī)律：在流動的過程中粘度隨剪切速率的增加而下降。

熔體流動時伴隨高彈形變：因為在外力作用下，高分子鏈沿著外力作用發(fā)生伸展，當外力消失后，分子鏈又由伸展變?yōu)榫砬剐巫儾糠只謴?，表現(xiàn)出彈性行為。

流動性

以粘度的倒數(shù)表示流動性。按作用方式的不同,流動可分為剪切流動和拉伸流動,相應地有剪切粘度和拉伸粘度。前者為切應力與切變速率之比；后者為拉伸應力與拉伸應變速度之比。聚合物的結構不同，流動性（或粘度）就不同。對于聚合物熔體，大多數(shù)是屬于假塑性液體,其剪切粘度隨剪切應力的增加而降低,同時測試條件（溫度、壓力）、分子參數(shù)（分子量及其分布、支化度等）和添加劑(填料、增塑劑、潤滑劑等)等因素對剪切粘度-剪切應力曲線的移動方向均有影響。對于拉伸粘度，當應變速率很低時，單向拉伸的拉伸粘度約為剪切粘度的 3倍，而雙向相等的拉伸，其拉伸粘度約為剪切粘度的6倍。拉伸粘度隨拉伸應力增大而增大,即使在某些情況下有所下降，其下降的幅度遠較剪切粘度的小。因此，在大的應力作用下，拉伸粘度往往要比剪切粘度大一二個數(shù)量級，這可使化學纖維紡絲過程更為容易和穩(wěn)定。

彈性

由于聚合物流體流動時，伴隨有高彈形變的產(chǎn)生和貯存，故外力除去后會發(fā)生回縮等現(xiàn)象,例如:塑料、橡膠擠出后和纖維紡絲后會發(fā)生斷面尺寸增大而長度縮短的離模膨脹現(xiàn)象，或稱彈性記憶效應；攪動時流體會沿桿上升，這種爬桿現(xiàn)象稱韋森堡效應或法向應力效應。此外，聚合物加工時，半成品或成品表面不光滑，出現(xiàn)“橘子皮"和“鯊魚皮"，出現(xiàn)波浪、竹節(jié)、直徑有規(guī)律的脈動、螺旋形畸變甚至支離破碎等影響制品質(zhì)量的熔體破裂和不穩(wěn)定流動等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象主要與熔體彈性有關。

高分子熔體流動中的彈性效應

高分子液體流動時，表現(xiàn)出形形色色的奇異彈性行為。

主要有擠出過程中的擠出脹大現(xiàn)象，不穩(wěn)定流動和熔體破裂

現(xiàn)象，“爬桿"現(xiàn)象（Weissenberg效應），拉伸流動等。

高分子液體的彈性屬于熵彈性。在流動過程中，材料的粘性

行為和彈性行為交織在一起，使流變性十分復雜。研究高分

子液體的彈性規(guī)律性對高分子材料加工也十分重要。

實驗發(fā)現(xiàn)，幾種粘度相近、分子量分布大致相同的聚乙烯熔體，其加工行為卻有很大差異，分析得知，這些差異主要因為不同熔體的彈性行為（拉伸粘度和法向應力差）不同引起的。