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1、 化工流变学化工流变学 包永忠包永忠浙江大学化学工程联合国家重点实验室浙江大学化学工程联合国家重点实验室E-mail:Tel:87951334,13857141949ChemicalRheology 内内容容1绪论绪论2流变学的数学基础流变学的数学基础3应力、应变及应变速率应力、应变及应变速率4流变学基本方程流变学基本方程5流变测量基本原理流变测量基本原理6分散液的流变特性分散液的流变特性7聚合物黏弹性聚合物黏弹性8黏弹性流体流变行为的表征和测定黏弹性流体流变行为的表征和测定 1.R.B.Birdetal.DynamicofPolymerLiquids,JohnWiely,1977,Vol.I
2、I(Chap.9)2.JohnJ.K.IntroductionofPolymerViscoelasticity,WilliamJ.M.,1983,JohnWiely&Sons3.金日光金日光.高聚物流变学及其在加工中的应用，化学工业出版社，高聚物流变学及其在加工中的应用，化学工业出版社，19864.尼尔生尼尔生.聚合物流变学，中译本聚合物流变学，中译本5.王凯王凯.非牛顿流体的流动、混合和传热，浙江大学出版社，非牛顿流体的流动、混合和传热，浙江大学出版社，19886.王甲升王甲升.张量分析及其应用，高等教育出版社，张量分析及其应用，高等教育出版社，19857.顾国芳顾国芳.聚合物流变学基础，同
3、济大学出版社，聚合物流变学基础，同济大学出版社，2000 主要参考书主要参考书1绪绪论论1.1流变学流变学(Rheology)研究材料流动和变形的科学研究材料流动和变形的科学其目的并不单纯看重力学行为，而看重不同物质的力学特性其目的并不单纯看重力学行为，而看重不同物质的力学特性与结构之间的关系。与结构之间的关系。流变学的历史：流变学的历史：古代计时用沙漏、水钟古代计时用沙漏、水钟“万物皆流万物皆流”(古希腊哲学家赫拉克里古希腊哲学家赫拉克里)16世纪世纪伽里略提出液体具有内聚黏性概念伽里略提出液体具有内聚黏性概念17世纪世纪胡克提出弹性固体的应力与应变的关系胡克提出弹性固体的应力与应变的关系牛
4、顿阐明液体阻力和剪切速率之间的关系牛顿阐明液体阻力和剪切速率之间的关系18世纪世纪泊肃叶方程泊肃叶方程流变学作为独立学科的创立流变学作为独立学科的创立(1928)：美国物理化学家宾汉：美国物理化学家宾汉巴勒斯坦土木工程师雷纳巴勒斯坦土木工程师雷纳流流 动动变变 形形流变学流变学液液 体体固固 体体软物质软物质不可回复形变不可回复形变可回复形变可回复形变耗散能量耗散能量 黏弹性黏弹性 储存能量储存能量有记忆效应有记忆效应无记忆效应无记忆效应松弛过程松弛过程瞬间过程瞬间过程流变学的一个重要参数：时间标尺流变学的一个重要参数：时间标尺流变学发展流变学发展n受到力学、物理学和材料学等学科发展影响受到力
5、学、物理学和材料学等学科发展影响n工业发展的迫切需要工业发展的迫切需要n科学理论和计算水平的提高科学理论和计算水平的提高n流变测试仪器的普及和发展流变测试仪器的普及和发展流变学基础流变学基础：流场流场(简单剪切、小振幅振荡和拉伸流场简单剪切、小振幅振荡和拉伸流场)本构方程本构方程流变测量技术流变测量技术1.2流体的分类流体的分类(按力学性质按力学性质)流流 体体完全流体完全流体黏性流体黏性流体牛顿流体牛顿流体非牛顿流体非牛顿流体纯黏性流体纯黏性流体依时性流体依时性流体黏弹性流体黏弹性流体塑性流体塑性流体假塑性流体假塑性流体胀塑性流体胀塑性流体触变流体触变流体震凝流体震凝流体1.2.1完全流体完
6、全流体(perfectfluid)非压缩性，无黏性的理想流体非压缩性，无黏性的理想流体,很小的外力能引起很大的很小的外力能引起很大的流动流动,如液态氦如液态氦(近似于完全流体近似于完全流体)1.2.2牛顿流体：牛顿流体：服从牛顿黏度定律服从牛顿黏度定律:流体黏度流体黏度 vv+dvFFdxdyA剪切应力剪切应力剪切应变剪切应变切变速率切变速率1Pas=10poise(泊泊)=1000厘泊厘泊牛顿流动定律牛顿流动定律液体内部反抗流动液体内部反抗流动的内摩擦力的内摩擦力1.2.3非牛顿流体非牛顿流体不服从牛顿黏度定律的所有流体不服从牛顿黏度定律的所有流体 1.2.3.1纯黏性流体纯黏性流体(狭义非
7、牛顿流体狭义非牛顿流体)不含弹性、流动特性与过去所受的应力无关，即不存在不含弹性、流动特性与过去所受的应力无关，即不存在时间依赖性的流体时间依赖性的流体wuz(r)rz圆管中的剪切流动圆管中的剪切流动(a)塑性流体塑性流体(宾汉流体宾汉流体)Ky 屈服应力屈服应力pl 塑性黏度塑性黏度(非沉降性浆料、涂料、黏土分散液、泥浆等非沉降性浆料、涂料、黏土分散液、泥浆等)(b)假塑性流体假塑性流体n-流变常数流变常数n=1牛顿流体，牛顿流体，n1假塑性，假塑性，n1胀塑性胀塑性.幂律流体幂律流体m流动行为指数，幂律指数流动行为指数，幂律指数Kpsu稠度系数稠度系数剪切应力增加剪切应力增加表观黏度降低表
8、观黏度降低CMC、纸浆、纸浆(40%)、淀粉糊、淀粉糊、PVA等属于假塑性流体等属于假塑性流体(c)胀塑性流体胀塑性流体 剪切应力增加剪切应力增加 表观黏度增大表观黏度增大高浓度的固体粒子悬浮液、水中的流沙、湿的粉体、油墨等高浓度的固体粒子悬浮液、水中的流沙、湿的粉体、油墨等液体流动的类型液体流动的类型类型类型牛顿流体牛顿流体非牛顿流体非牛顿流体宾汉宾汉假塑性假塑性胀塑性胀塑性触变和震凝触变和震凝性性曲线曲线公式公式n 1实例实例小分子小分子沥青沥青高分子浓高分子浓溶液溶液高分子熔体高分子熔体颗粒填充高颗粒填充高分子熔体分子熔体PVC糊糊胶冻胶冻Shear rateShear stressSh
9、ear rateShear stressShear rateShear stressShear rateShear stressTimeViscosity触变性震凝性1.2.3.2依时性非牛顿流体依时性非牛顿流体 =f(t),=f(t)(a)触变流体触变流体时间增加时间增加内部结构被破坏，内部结构被破坏，减小减小原因：分子缠结等原因：分子缠结等触变流体的滞后现象触变流体的滞后现象回转黏度计中扭矩与时间的关系回转黏度计中扭矩与时间的关系(b)震凝流体震凝流体 时间增加时间增加结构形成结构形成 增加增加如石膏糊如石膏糊(42%)，搅拌，搅拌(40min)固体固体(c)黏弹性流体黏弹性流体既有黏性又
10、有弹性的流体既有黏性又有弹性的流体 黏性黏性-流体内部阻碍其产生相对运动的性质流体内部阻碍其产生相对运动的性质理想黏性体理想黏性体：当材料受到外力作用后，形变是随时间线性发展：当材料受到外力作用后，形变是随时间线性发展的，不能瞬间发展，形变不可逆。的，不能瞬间发展，形变不可逆。弹性弹性-物体在除去使其产生形变的外力后即能恢复原状的性质物体在除去使其产生形变的外力后即能恢复原状的性质理想弹性体理想弹性体：当材料受到外力作用后，平衡形变可以瞬间发生：当材料受到外力作用后，平衡形变可以瞬间发生和完成，与时间无关，形变可逆。和完成，与时间无关，形变可逆。a应力应力时间；时间；b.理想弹性体，理想弹性体
11、，d.理想黏性体；理想黏性体；e.黏弹体的应变黏弹体的应变时间关系时间关系理想黏性体、理想弹性体和黏弹体的应变理想黏性体、理想弹性体和黏弹体的应变-时间关系时间关系n如何表征形形色色非牛顿流体流变行为？如何表征形形色色非牛顿流体流变行为？一、把实验观察到的流变行为概括成一些物质函数，它们可一、把实验观察到的流变行为概括成一些物质函数，它们可以由仪器测量；以由仪器测量；二、建立可以预示尚未观察到的流体行为的方程式。二、建立可以预示尚未观察到的流体行为的方程式。(1)连续介质力学理论，将物质看作是连续介质，描述介连续介质力学理论，将物质看作是连续介质，描述介质对应力或应变质对应力或应变(速率速率)
12、的响应；的响应；(2)分子运动理论，从分子结构观点描述介质的行为，又分子运动理论，从分子结构观点描述介质的行为，又称为结构流变学。称为结构流变学。1.3描述非牛顿流体流变特性的物质函数描述非牛顿流体流变特性的物质函数n表征非牛顿流体流变特征的物质函数因场合不同而不同，表征非牛顿流体流变特征的物质函数因场合不同而不同，对流变学来说，它面对的典型流场有三种：对流变学来说，它面对的典型流场有三种：a.简单剪切流场简单剪切流场平形板流动、管流、同轴圆筒间的平形板流动、管流、同轴圆筒间的Couette流动、流动、锥板间的剪切流。锥板间的剪切流。b.小振幅振荡流场小振幅振荡流场c.拉伸流场拉伸流场稳态简单
13、剪切流动的三个物质函数稳态简单剪切流动的三个物质函数 三个物质函数：三个物质函数：剪切黏度函数剪切黏度函数第一法向应力系数第一法向应力系数第二法向应力系数第二法向应力系数拉伸黏度拉伸黏度拉伸流动对高聚物的成型加工具有重要意义拉伸流动对高聚物的成型加工具有重要意义流道收敛、合成纤维生产、中空吹塑、薄膜生产等流道收敛、合成纤维生产、中空吹塑、薄膜生产等单轴拉伸单轴拉伸双轴拉伸双轴拉伸稳态拉伸流动稳态拉伸流动无剪切流场无剪切流场(1)单轴拉伸流动单轴拉伸流动将拉伸将拉伸F作用在截面积为作用在截面积为A的试样上，试样长度由原长的试样上，试样长度由原长L0拉伸至拉伸至L拉伸应变：拉伸应变：单轴拉伸应变速
14、率：单轴拉伸应变速率：单轴拉伸黏度：单轴拉伸黏度：.对于牛顿流体：对于牛顿流体：(2)等轴双轴拉伸等轴双轴拉伸在两个方向拉力下，两个轴向同时被拉长，因而另一轴向在两个方向拉力下，两个轴向同时被拉长，因而另一轴向缩短变薄缩短变薄等幅双轴拉伸黏度：等幅双轴拉伸黏度：.对于牛顿流体：对于牛顿流体：等幅双轴拉伸应变速率等幅双轴拉伸应变速率1.4流变学在化工、聚合物工业中的重要性流变学在化工、聚合物工业中的重要性n传统化工形成于传统化工形成于20世纪世纪20至至30年代，主要针对小分子物质，年代，主要针对小分子物质，其基础如热力学、传递等，均以小分子物质和牛顿黏性定其基础如热力学、传递等，均以小分子物质
15、和牛顿黏性定律为依据。律为依据。n二次世界大战以后，高分子材料工业崛起，改变了化学工二次世界大战以后，高分子材料工业崛起，改变了化学工程面对的对象，传统的程面对的对象，传统的“三传一反三传一反”理论需要拓展。理论需要拓展。n现代化学工业是一门以数学、物理和物理化学等基础学科现代化学工业是一门以数学、物理和物理化学等基础学科为基石，与多门学科互为交叉的工程学科。为基石，与多门学科互为交叉的工程学科。n流变学是现代化学工程的三大基础之一。流变学是现代化学工程的三大基础之一。热力学、传递过程、流变学热力学、传递过程、流变学流变学在聚合物生产和加工中的重要性流变学在聚合物生产和加工中的重要性聚合物生产过程中：聚合物生产过程中：(1)聚合反应器的三传问题的解决；聚合反应器的三传问题的解决；(2)高黏聚合物流体的混合和输送等。高黏聚合物流体的混合和输送等。切力变稀切力变稀爬杆现象爬杆现象聚合物加工和使用过程中：聚合物加工和使用过程中：(1)注塑、压模、吹塑、压延等；注塑、压模、吹塑、压延等；(2)聚合物纺丝；聚合物纺丝；(3)涂料加工、结构材料的蠕变、应力松弛。涂料加工、结构材料的蠕变、应力松弛。挤出胀大挤出胀大虹吸现象虹吸现象