流變學及其應用內(nèi)容流變學介紹

基本概念和定義

流體與變形粘性、彈性與粘彈性 粘度與模量

流變測試

剪切與拉伸應變控制與應力控制穩(wěn)態(tài)與動態(tài)蠕變與回復時間溫度疊加分子量與分子量分布應用

熱塑、熱固、溶液、彈性體流變學在日常工作中無處不在

－制造和使用產(chǎn)品

原材料

通過加工（變形）

制品產(chǎn)品在外力或變形下使用

性能

流變學是高分子學科的基礎

流變學是實驗和實踐

科學Newton、Einstein與流變學Rheology

流變學使生活更有趣

在我們?nèi)粘５纳钪校ǔＳ谩败洝⒂病傂浴⑷嵝浴椥浴⒊怼⒈　㈧`活性……”來描述事物。流變學就是研究“軟與硬”的科學。

流變學應用領域：化妝品、洗滌用品、牙膏、食品、陶瓷漿料、輪胎……日常生活中不自覺地用到一些“流變”實驗－手感。固體－完全彈性回復流體－完全流動變形理想流體與固體的行為特點H:液高F:施力t應力

:F/Ag應變

:Dx/Hg應變率

:dg/dt=V/Hh粘度

:t/gA:施力面積t應力

:F/Ag應變

:Dx/HG模量

:t/g˙˙Dx:移動距離F:施力A:施力面積H:高度V:流速常用材料(一般材料)的行為描述粘彈性體-部分回復˙部份變形Dx:移動距離F:施力A:施力面積H:高度t應力

:F/Ag應變

:Dx/Hg應變率

:dg/dt=V/HG模量

:t/g－

部分回復H粘度

:t/g－

部分變形如何描述其行為...˙˙G’彈性模量

(t’/g0) :彈性儲存能量指標G”粘性模量

(t”/g0) :變形消耗能量指標G*復模量

(S(G’,G”)) :總變形能量指標tand (G”/G’) :損耗因子G*G”G’彈性儲存變形損耗總變形能量tand

損耗因子粘彈性的定義與時間有關的粘彈性行為

PDMS的固體和液體特性極短時間[<1s]較長時間[24小時]微觀世界:分子結(jié)構(gòu)的尺寸、溫度與時間松弛時間分布分子運動溫度變化側(cè)基運動

主鏈運動

結(jié)晶融熔流動tgtbtggtgtatmTgTbTggTgTaTm宏觀世界:應用背景的形變、時間與溫度

流動過程

剪切速率

沉淀(Sediments)

10e-6~10e-4

垂掛/流平(Sagging/Leveling)

10e-2~10e-1

管流(PipeFlow)

10~1000

混合(Mixing) 10~1000

擠出(Extrusion)

1~100

化妝品相關

從瓶中倒出(Pouringfromabottle) 10e1~10e2

擠牙膏(Extrusionoftoothpastefromatube) 10e2

擦護手霜(applicationofhandlotions/creams) 10e2~10e4

涂口紅，指甲油(Applyinglipstick,nailpolish)

10e3~10e4

噴霧(Sprayingaerosols) 10e3~10e5

粘合過程

粘合(Tack) 10e-2~10e-1

鍵合(PressBonding)

10e-1~1

脫粘(Peeling) 10e2~10e4

自動脫粘(Auto-debonding)

10e-3~10e-2流變學的角色

–

微觀世界與宏觀世界的橋梁分子組成結(jié)構(gòu)

儀器分析高分子科學流變學

加工性˙物性微觀世界

分子量與分子量分布

支化與交聯(lián)

填料與基體材料的相互作用

單相或多相結(jié)構(gòu)

宏觀世界

作為以下參數(shù)的函數(shù)：

應變(應變率)

溫度

時間(頻率)流變學原理簡介t

*(t)TimeTimeg(t)g(t)t

*(t)TimeTimeg(t)g(t)將粘彈性行為分割為完全彈性與完完全變形行為固體(完全彈性)行為流體(完全變形)行為粘彈體行為tg施加周期性變形測量周期性應力t

*(t)t

“(t)t

‘(t)d平行板夾具間距可調(diào)推薦0.2to2.5mm(根據(jù)樣品的粘度)可棄式平行板夾具 針對熱固性材料齒型平行板

針對易打滑樣品錐板/平行板夾具測量材料范圍：高分子熔體

流體

(懸浮液/乳液)由錐度固定夾具間距；

在動態(tài)應變掃描或穩(wěn)態(tài)應變掃描實驗中沒有速度的梯度；等溫實驗；同心圓筒夾具材料材料范圍：

低粘度流體有限穩(wěn)定性的懸浮液對應力敏感性材料的面積效應裝載過程中的加工歷史控制參數(shù)形變 低形變屬于線性行為范圍

高形變屬于非線性行為范圍內(nèi)

溫度頻率˙時間

低頻相當于長時間行為

高頻相當于短時間行為測量結(jié)果G’G”Tand

*典型流變分析圖形LogG’,tandG’tand溫度頻率低高高低運動小分子運動軟鏈段纏結(jié)分子運動自由鏈段運動硬鏈段時間和溫度的影響可互換LogG’,G”G’G”TemperatureDynamicLogG(t)G(t)LogTimeSteadyLogG’,G”G’G”LogFrequencyDynamic長時間或低頻行為:考慮高溫行為短時間或高頻行為:考慮低溫行為流變的應用分子量表征最靈敏的玻璃化溫度Tg的檢測工具測量結(jié)晶高分子熔點和結(jié)晶度溫度依存性可作為材料鑒定的依據(jù)研究交聯(lián)的最好方法建筑材料食品涂料■零剪切粘度與分子量的關系零剪切粘度法比GPC法更靈敏方法依存性靈敏度特點GPCM0.5M-0.5高分子量區(qū)域尺寸效應不明顯本征粘度M0.6M-0.4高分子量區(qū)域稀溶液理論很難成立光散射M1M0高分子量區(qū)域敏感滲透壓M-1M-2低分子量的數(shù)均分子量較好零剪切粘度M3.4M2.4高分子量區(qū)域靈敏度最高

回復柔量(Mz/Mw)3.5….分子量分布最敏感，對分子量不敏感

不同分子量測定方法的比較J.Rheol.38(6),1797(1994)分子量寬度對流變性能的影響支化對流變性能的影響長鏈支化對流變性能的影響快速質(zhì)量控制:

交叉點與分子量、分子量分布的關系■最靈敏的玻璃化溫度Tg的檢測工具

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是這樣一個溫度區(qū)域，這時剛性的無定形材料獲得了足夠的熱能，開始啟動長程蠕動－高分子的主鏈。

Tg是一個區(qū)域，并非一個單點，在某些情況下DSC難以測量。

Tg是一個力學松弛現(xiàn)象，與測試頻率、升溫速率以及熱歷史有關。

為什么Tg非常重要？

Tg指明材料是用作塑料還是橡膠(或纖維)？

如果Tg遠低于室溫，該高聚物通常用作彈性體；

如果Tg遠高于室溫，該高聚物通常用作塑料；

低于Tg時，材料通常很硬，剛度很好，可以經(jīng)得起載荷或應力。

高于Tg時，材料通常很軟，柔性很好，可以方便地加工。模量的溫度依存性與分子運動頻率對溫度掃描曲線的影響哪一種材料可以彈得更高？橡膠輪胎的性能分子量對DMTA圖譜的影響從損耗源自Tand

判斷聚酯纖維的優(yōu)劣

DMA比DSC更靈敏地測量Tg回目錄6.流變法是測量結(jié)晶高分子熔點和結(jié)晶度的最好方法

結(jié)晶高分子通常都是部分結(jié)晶態(tài)，部分無定形態(tài)，在無定形區(qū)結(jié)晶，造成微觀上不均勻。

模量通常與結(jié)晶度，結(jié)晶的形狀及排布有關，而這些通常受熱歷史的影響。

高聚物彈性模量與分子量、結(jié)晶的關系后擠出過程回目錄■流變法是測量DSC無法測量的次級轉(zhuǎn)變(,)的最好方法

次級轉(zhuǎn)變是非常重要的信息，因為它與如下材料特性有關：沖擊強度

吸聲減震性能

氣體或液體滲透性

濕氣和其它添加劑PE(LDPE）的溫度譜PE(HDPE）的溫度譜PE(LLDPE）的溫度譜三種不同PE的溫度譜比較影響抗沖強度的因素

HIPS飲料罐的抗沖性

抗沖添加劑的作用

ABS的抗沖性次級轉(zhuǎn)變對沖擊強度的影響

材料峰低于室溫的來源沖擊強度PC是主鏈高Teflon是主鏈高PE是主鏈高PVC是主鏈高PVC+10%增塑劑否低PS否低PS+5%橡膠是多相體系高P(cyclohexyl)MA是側(cè)基低■溫度依存性可作為材料鑒定的依據(jù)每一種高分子材料都有特定的

Tg,Tm和次級轉(zhuǎn)變峰。這些轉(zhuǎn)變的組合或“圖譜”就是鑒定材料的“指紋”。

PP的溫度譜PMMA的溫度譜PPS的溫度譜PET的溫度譜MildSeven包裝薄膜的溫度譜PTFE的溫度譜■研究交聯(lián)的最好方法

模量與交聯(lián)密度有直接的關系.

G=1/3E=RT/Mc=RT=f/2CxRT其中：G:剪切模量E:楊氏模量

:密度

R:氣體常數(shù)T:溫度(K) Mc:交聯(lián)點間的分子量 :單位體積內(nèi)鏈的摩爾數(shù)

Cx:f－函數(shù)交聯(lián)摩爾數(shù)

摘自LENielsen“MechanicalPropertiesofPolymersandComposites”,page169,2ndedition,MarcelDekker,1994交聯(lián)、固化后的效果檢測固化過程(最小粘度、凝膠點)準確測定凝膠點：多波模式－損耗因子曲線的交叉點一種熱固性樹脂固化的周期

(固化過程中施加一定的壓力，降低氣泡成核)

水汽對環(huán)氧固化的影響粘度與溫度的依存性可作為判斷優(yōu)劣的根據(jù)

配方優(yōu)化添加硬脂酸鋅降低注射時樹脂粘度，但不影響固化時間

工藝條件優(yōu)化■建筑材料特殊夾具設計屈服應力的測量結(jié)構(gòu)破壞后的回復Vw/Vp對流變性能的影響塑性粘度對多孔材料的影響水泥穩(wěn)定劑對流變性能的影響■食品流動曲線和粘度曲線屈服應力巧克力的質(zhì)構(gòu)巧克力的粘度測試標準粘度測試標準樣品準備樣品測試過程結(jié)果表達要求不同加工歷史對流動性能的影響不同溫度對流動性能的影響不同測量時間對流動性能的影響不同數(shù)據(jù)處理方式對實驗結(jié)果的影響不同測量夾具對結(jié)果的影響■涂料、油墨、涂層涂刷性

(涂刷時方便嗎?)流平性

(刷痕會流平嗎?)垂掛性

(刷在墻壁上的涂料會流下來嗎?)印刷質(zhì)量(印刷時，油墨是停留在印的地方，還是散開來?)高速印刷相容性

(油墨會堆在滾筒上嗎?)剪切速率與涂料使用時的關系剪切速率與涂料使用時的關系剪切速率與涂料性能的關系流變與涂料垂掛性的關系

動態(tài)時間掃描以及穩(wěn)態(tài)階躍應變掃描實驗動態(tài)模量與涂料儲藏期的關系涂層噴塑的要求高剪切速率下穩(wěn)定快速粘度回復

偽塑性

優(yōu)化的彈性

較小的發(fā)泡趨勢

Time,sViscosityHighShearRate106s-1LowShearRate1s-1抗垂掛性添加劑對涂料流變性的影響

快速對照表動態(tài)溫度掃描動態(tài)頻率掃描動態(tài)應變掃描動態(tài)時間掃描穩(wěn)態(tài)速率掃描應力松弛抗沖性次級轉(zhuǎn)變性能線性區(qū)耐熱性橡膠態(tài)－粘流態(tài)轉(zhuǎn)變溫度MFI粘度曲線橡膠硫化升溫硫化線性區(qū)等溫硫化老化性能在線評估老化MWDTTS擴展頻率范圍進行QC松弛時間譜瀝青分級實驗改性效果回彈性線性及非線性高分子合金相容性研究賽默飛世爾科技在中國賽默飛世爾科技－市場優(yōu)勝能力公司實驗室設備科學儀器實驗室信息管理實驗室服務在線/過程儀表賽默飛世爾美國應用生物系統(tǒng)安捷倫科技貝克曼庫爾特通用電氣醫(yī)療集團梅特勒托利多珀金埃爾默沃特斯瓦里安實驗室、在線分析檢測和制造業(yè)廣泛的解決方案ThermoFisherScientific商務支持服務于中國客戶區(qū)域覆蓋200位銷售與服務支持人員6個辦事處在中國其它地區(qū)渠道建設完善培訓與應用支持上海客戶中心培訓服務全線產(chǎn)品應用專員服務儀器支持教育性與專業(yè)性服務符合法規(guī)要求的服務資產(chǎn)管理熱電提供全