高分子流變學(xué)基礎(chǔ)

前言

高分子流變學(xué)是高分子材料及工程專業(yè)的必修課。本教材在高分子化學(xué)、高分子合成工藝原理、高分子物理以及工程力學(xué)等課程的基礎(chǔ)上，著重介紹流變學(xué)的基本原理和高分子材料流動與變形的基本行為，努力闡明高分子材料流動變形行為與經(jīng)典黏性體和彈性體之間的不同之處，深入討論剪切作用、溫度、壓力、結(jié)構(gòu)和時間等因素對高分子流變性質(zhì)的影響，并介紹流變學(xué)的測試原理和基本研究方法。進一步為高分子材料及其制品的設(shè)計優(yōu)化、加工工藝和加工設(shè)備的選擇改進提供必要的理論依據(jù)。本教材是面向化學(xué)化工、高分子材料專業(yè)本科生學(xué)習(xí)流變學(xué)的教學(xué)用書，也可作為研究生的教學(xué)參考書。但它并非是一本流變學(xué)的專著，不可能涉及流變學(xué)的全部內(nèi)容。由于流變學(xué)學(xué)科交叉的特點，本書力求深入淺出地講清楚流變學(xué)最基本的理論問題，盡可能的避免煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，減少讀者望而生畏的情緒，使學(xué)生學(xué)會用流變學(xué)的基本原理來分析高分子材料的流變行為，提高解決問題的能力，同時為進一步學(xué)習(xí)打下必要的基礎(chǔ)。本書共分為7章：緒論、流變學(xué)的基本概念、高分子流體的流變模型、高分子流體的流動分析、高分子流體流動的影響因素、流變儀的基本原理及應(yīng)用和流動運動方程及應(yīng)用。第1章“緒論”在介紹了流變學(xué)發(fā)展簡史的基礎(chǔ)上，明確了流變學(xué)的研究方法及對物質(zhì)的科學(xué)定義。因此在第2章“流變學(xué)的基本概念”中，首先描述了材料發(fā)生各種變形或流動時涉及的一些基本物理量如應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變速率以及彼此在簡單流變過程中的數(shù)學(xué)關(guān)系，使讀者能夠?qū)V義的流動與變形的基本力學(xué)行為有所認識；第3章“高分子流體的流變模型”則從基本的本構(gòu)關(guān)系出發(fā)，介紹了高分子流體典型的流變行為，如剪切變稀、剪切增稠、塑性流動、觸變性、黏彈性等，使學(xué)習(xí)者能夠認識到高分子流體流動與變形的復(fù)雜性；然后結(jié)合加工成型，在第4章“高分子流體的流動分析”中重點分析了高分子流體在圓管中的壓力流動，并介紹了其他一些常見的簡單流動，明確了加工過程中宏觀物理量如壓力、轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)矩）、流速等與高分子流體黏度間的數(shù)學(xué)關(guān)系；在此基礎(chǔ)上，在第5章“高分子流體流動的影響因素”中，進一步分析了高分子結(jié)構(gòu)、形態(tài)、加工溫度、壓力等因素對高分子流體流動的影響，讓學(xué)習(xí)者能夠清楚即便是簡單流動，但對于高分子流體來說，其影響因素也是復(fù)雜的；而要明確這些影響因素與高分子流變行為間的定性和定量的關(guān)系，則必須利用測黏儀器通過具體的測黏方法來獲得流動與變形過程中的黏度、模量等基本的力學(xué)響應(yīng)，這就是第6章“流變儀的基本原理及應(yīng)用”的主要內(nèi)容；最后，第7章“流動運動方程及應(yīng)用”介紹了流體動力學(xué)的三大基礎(chǔ)方程，即連續(xù)性方程、運動方程和能量方程。然后在這些知識的基礎(chǔ)上，結(jié)合成型加工實際，從物料輸運的角度出發(fā)，以流變學(xué)理論分析了混煉、擠出成型、注射成型等幾類常見的高分子成型過程。作者在講授流變學(xué)課程近20年的基礎(chǔ)上，又進行了一段時間流變學(xué)研究，體會頗多。通過對本教材的編寫，覺得有必要好好總結(jié)一下對流變學(xué)的認識。流變學(xué)教材應(yīng)該有兩項重要任務(wù)：一是能為高分子工程提供有效的計算方法，二是能夠說清楚流變的本質(zhì)。對于高分子流變學(xué)來說，主要要說清楚黏性、彈性和黏彈性的物理本質(zhì)。就這一點來說，這些物理本質(zhì)實際上都是高分子物理的基礎(chǔ)問題?；谝陨峡紤]，才形成了本教材的章節(jié)，即多年從事流變學(xué)教學(xué)的內(nèi)容。除了闡明教材的內(nèi)容外，如何理解和認識流變學(xué)對于提高學(xué)生學(xué)習(xí)流變學(xué)的興趣是非常重要的。因此，不僅需要一本令人滿意的教材，還要有比較生動的講授方法。否則多數(shù)學(xué)生還是會覺得流變學(xué)是一門較難掌握的課程。在本書的編寫過程中，得到了合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)校和教務(wù)處領(lǐng)導(dǎo)的大力支持，在此特別表示感謝。同時，也要感謝吳德峰博士為本書的成稿付出了辛勤勞動。本書參考了不少流變學(xué)的教材和專著，在此一并感謝這些精深學(xué)術(shù)造詣的流變學(xué)專家和學(xué)者。最后還要感謝我的老師吳大誠教授，我對流變學(xué)的認識及對流變學(xué)略有研究是從聽吳大誠教授的流變學(xué)課程開始的。限于作者水平，以及流變學(xué)涉及的概念、公式和數(shù)字非常繁多，疏漏和錯誤之處在所難免，敬請同行和讀者批評指正。史鐵鈞2008年10月于合肥工業(yè)大學(xué)

內(nèi)容概要

本書是一本普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材。本書是在高分子化學(xué)、高分子合成工藝原理、高分子物理以及工程力學(xué)等課程的基礎(chǔ)上，著重介紹流變學(xué)的基本原理和高分子材料流動與變形的基本行為，努力闡明高分子材料流動變形行為與經(jīng)典黏性體和彈性體之間的不同，深入討論剪切作用、溫度、壓力、結(jié)構(gòu)和時間等因素對高分子流變性質(zhì)的影響，并介紹了流變物質(zhì)的測試原理和基本研究方法。進一步為高分子材料及其制品的設(shè)計優(yōu)化、加工工藝和加工設(shè)備的選擇改進提供必要的理論依據(jù)。本書共分為7章，分別是：緒論、流變學(xué)的基本概念、高分子流體的流變模型、高分子流體的流動分析、高分子流體流動的影響因素、流變儀的基本原理及應(yīng)用以及流動運動方程及應(yīng)用。     本教材是面向化學(xué)化工、高分子材料專業(yè)本科生學(xué)習(xí)流變學(xué)的教學(xué)用書，也可作為研究生的教學(xué)參考書。

書籍目錄

第1章  緒論 　1.1　流變學(xué)的歷史和現(xiàn)狀 　1.2　流變學(xué)的研究對象和方法 　　1.2.1　流變學(xué)關(guān)于物質(zhì)的定義 　　1.2.2　流變學(xué)的研究方法 　　1.2.3　流變學(xué)關(guān)于高分子的定義 　1.3　高分子材料典型的流變行為 　1.4　流變學(xué)在高分子材料加工中的應(yīng)用 第2章　流變學(xué)的基本概念 　2.1　流體形變的基本類型 　　2.1.1　拉伸和單向膨脹 　　2.1.2　各向同性的壓縮和膨脹 　　2.1.3　簡單剪切和簡單剪切流 　2.2　標量、矢量和笛卡兒張量的定義 　　2.2.1　標量、矢量、張量的物理定義 　　2.2.2　標量、矢量、張量的數(shù)學(xué)定義 　　2.2.3　張量的運算 　　2.2.4　張量的重要特性 　2.3　應(yīng)力張量和應(yīng)變張量 　　2.3.1　應(yīng)力張量 　　2.3.2　應(yīng)變張量 　　2.3.3　應(yīng)變速率張量 　2.4　本構(gòu)方程和材料函數(shù) 第3章　高分子流體的流變模型 　3.1　牛頓流體模型 　3.2　廣義牛頓流體 　3.3　冪律流體模型 　　3.3.1　冪律流體 　　3.3.2　假塑性流體 　　3.3.3　脹塑性流體 　3.4　賓漢塑性流體模型 　3.5　觸變性流體 　3.6　震凝性流體 　3.7　黏彈性流體 　　3.7.1　彈性參數(shù) 　　3.7.2　黏彈性模型 　　3.7.3　高分子流體的黏彈行為 第4章　高分子流體的流動分析 　4.1　高分子流體在圓管中的流動 　　4.1.1　冪律流體在長圓管中壓力流動 　　4.1.2　賓漢流體在長圓管中壓力流動 　4.2　平行板間的壓力流動 　4.3　平行板間的拖曳流動 　4.4　環(huán)形圓管中的壓力流動 　4.5　環(huán)形圓管中的拖曳流動 第5章　高分子流體流動的影響因素 　5.1　剪切速率對黏度的影響 　5.2　分子量對黏度的影響 　　5.2.1　黏度的分子量依賴性 　　5.2.2　黏度的分子量分布依賴性 　　5.2.3　動態(tài)流變性質(zhì)的分子量依賴性 　5.3　分子形狀對黏度的影響 　　5.3.1　支化 　　5.3.2　其他結(jié)構(gòu)因素 　5.4　黏度的時間依賴性 　5.5　壓力對黏度的影響 　5.6　溫度對黏度的影響 　　5.6.1　黏度?溫度之間的函數(shù)關(guān)系 　　5.6.2　流動活化能 　　5.6.3　影響流動活化能的因素 　　5.6.4　黏度?溫度的其他經(jīng)驗方程 　　5.6.5　溫度依賴性總曲線 第6章　流變儀的基本原理及應(yīng)用 　6.1　毛細管流變儀 　　6.1.1　基本結(jié)構(gòu) 　　6.1.2　完全發(fā)展區(qū)的流場分析 　　6.1.3　入口壓力降的典型應(yīng)用 　　6.1.4　出口區(qū)的流動行為 　　6.1.5　測試方法 　　6.1.6　基本應(yīng)用 　　6.1.7　毛細流變儀測黏數(shù)據(jù)處理 　6.2　旋轉(zhuǎn)流變儀 　　6.2.1　基本結(jié)構(gòu) 　　6.2.2　錐板 　　6.2.3　平行板 　　6.2.4　同軸圓筒 　　6.2.5　測量系統(tǒng)的選擇 　　6.2.6　測量模式的選擇 　　6.2.7　具體應(yīng)用 　6.3　轉(zhuǎn)矩流變儀 　　6.3.1　基本結(jié)構(gòu) 　　6.3.2　基本原理 　　6.3.3　基本應(yīng)用 第7章　流體的運動方程及應(yīng)用 　7.1　連續(xù)方程 　7.2　動量方程 　7.3　能量方程 　7.4　加工過程的數(shù)學(xué)分析 　　7.4.1　擠出成型 　　7.4.2　注射成型 　　7.4.3　壓延成型 參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 緒論1.1　流變學(xué)的歷史和現(xiàn)狀多數(shù)的教材中都將流變學(xué)定義為研究材料流動和變形的科學(xué)。這樣的定義并沒有考慮到材料流動的差異性和變形的差異性，也沒有限定材料的本征特性，所以上述的定義是廣義的，范圍非常大。因此，高分子流變學(xué)也就可以定義為研究高分子材料流動和變形的科學(xué)。流變學(xué)的早期發(fā)展來源于人類的生產(chǎn)活動，并體現(xiàn)在人類思想史的發(fā)展上。早在上古時期，我們的祖先就通過自己的聰明智慧積累了一些關(guān)于物質(zhì)流動和變形的知識并在實踐活動中得到應(yīng)用。例如公元前1500年，古埃及人發(fā)明了一種“水鐘”，它與陶制沙漏相似，用以測定容器內(nèi)水層高度與時間的關(guān)系以及溫度對流體黏度的影響，而實際上沙漏本身其實就是流變學(xué)最為古老、經(jīng)典的應(yīng)用實例之一。在計時的過程中，沙粒由于自重在不斷的．流動著，而其流速也隨自重的變化而變化，這樣不斷變化著的流動與時間之間的關(guān)系正是古人流變學(xué)的思想在實踐活動中的體現(xiàn)。類似的例子還有很多，比如我國的《墨經(jīng)》中記載，早在2000多年前我們的祖先就已經(jīng)將流變學(xué)的知識應(yīng)用在農(nóng)田灌溉、河道分流、防洪治汛等方面。 正是這些流變學(xué)知識在實踐中的不斷應(yīng)用，反過來又進一步促進了人類對流變學(xué)思想理解的深化。公元前六世紀，古希臘哲學(xué)家赫拉克里的名言“萬物皆流(Everything willflow)”在人類社會中廣為流傳。我國古代思想家孔子也有類似的名言：“逝者如斯夫，不舍晝夜！”這些將事物看做是運動變化的思想，實際上就是流變學(xué)中關(guān)于材料性質(zhì)認識論的萌芽。5.5壓力對黏度的影響壓力之所以會對高分子黏度產(chǎn)生很大影響，是因為高分子中存在大量的自由體積。自由體積理論最早是由Fox和Flory提出。他們認為高分子中，其體積由兩部分組成：一部分是被分子占據(jù)的體積，稱已占的體積；另一部分是未占據(jù)的自由體積。正是這些自由體積的存在，長分子鏈的化學(xué)鍵才能夠內(nèi)旋轉(zhuǎn)。所以高分子流體與小分子不同是可壓縮液體，其體積模量約為10sN／m2。在加工溫度下的壓縮性比普通低分子液體大得多。一般情況下，聚合物熔體的加工壓力多為10?！?0’Pa（10～lOOatm），體積壓縮量約小于1％。注塑加工所用的加工壓力可達10。Pa（1000atm）以上，流體會出現(xiàn)明顯的體積壓縮。體積壓縮必然引起自由體積減小，使高分子流體流動性降低、黏度增加，注塑大型的、形狀復(fù)雜的或壁厚不均勻的高分子制品，比如汽車水箱、大型家電外殼等，就需要很高的壓力。在生產(chǎn)上可能會出現(xiàn)這樣的情況：某種高分子在普通壓力范圍內(nèi)可以加工成型，但當(dāng)壓力過大時，黏度太高，材料變硬，從而使加工成型困難甚至不能成型。所以在沒有可靠依據(jù)的情況下，不能將低壓下的流變數(shù)據(jù)任意外推到高壓下應(yīng)用。因此，研究黏性流動與壓力的關(guān)系對高分子材料的注射成型極為重要。研究者們在測定了在恒壓下黏度隨溫度的變化（a叩／aT）p和恒溫下黏度隨壓力的變化（a7／a戶）T后發(fā)現(xiàn)，如果以1g田分別對壓力和溫度作圖時，黏度梯度都是線性函數(shù)。這表明可以通過一個系數(shù)（AT／Ap）。把壓力對黏度的影響與溫度的影響聯(lián)系起來。該系數(shù)近似等于常數(shù)，所以壓力增加Ap無疑與溫度下降△T是等效的。實驗證明，該系數(shù)幾乎與高分子的分子量、種類和結(jié)構(gòu)無關(guān)。

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