流变学：剪切稀化.pdf

第六章非线性粘性（非牛顿流体） 6.1 聚合物熔体流动特性 聚合物熔体的流动不是线性粘性流动，即它们是非牛顿流体。 其流动特性是与聚合物的分子结构有关的。聚合物为长链分子，又 互相发生缠绕。在不受应力时，分子链通常以无规线团的形式存在 ，而在受应力发生流动时，分子链受应力的作用发生定向，同时缠 绕逐步解体。这就产生了其粘度的剪切速率依赖性。由于有缠绕的 存在，聚合物熔体流动时还有弹性的表现。下面的几种特殊的流动 行为都可以用聚合物的分子结构，即分子链的定向及缠绕来解释 6.1.1粘度的剪切速率依赖性 牛顿流体的粘度在一定温度下是常数，与剪切速率无关 ，聚合物溶液和熔体的粘度则有很强的剪切速率依赖性。实 验发现，存在两种相反的剪切速率依赖性 非牛顿流体的流动特性 重点 假塑性的曲线：粘度随剪切速率的增大而下降，这种性质称为假塑 性（Pseudoplastic ），或剪切稀化（Shear-thinning ）。这种剪切稀化 现象是由于流体中的粒子发生定向、伸展、变形或分散等使流动阻力 减少而造成的。剪切稀化现象是可逆的，即当剪切速率下降或消失时 流体的粘度就立即或仅有短时间的滞后即恢复至原来的粘度 膨胀性的曲线：粘度随剪切速率的增大而上升，这种性质称为膨胀性 （Dilatancy ），也称为剪切稠化（Shear thickening）。典型的膨胀性 流体是PVC糊，其中增塑剂的加入量较少，刚刚足够润滑所有固体表面 ，填充固体粒子之间的牢隙。当剪切速率增加时，增塑剂来不及与固体 粒子一起流动，不能完全填充固体粒子间的空隙，造成体系的粘度上升 塑性的曲线：显示出一个屈服应力 ，当应力小于 时，流体不流动 y y ，只发生切应变，应力＝0。当应力> 后，流体才发生流动，显示出 y 假塑性 6.1.2 粘度的时间依赖性 触变（摇溶）流体： 恒定剪切速率下粘度随时间增加而降低的液体 反触变（流凝）流体： 恒定剪切速率下粘度随时间增加而增加的液体 研究熔体弹性，一般 从应力的回复和法向 6.1.3 聚合物熔体的弹性 应力入手 （1）应力的回复 高聚物熔体受剪切应力或拉伸应力作用，不但有消耗能 量的流动，同时也储存能量。一旦作用应力或边界约束去 除，此储存的弹性能会产生可回复的形变。 弹性变形在外力除去后的松弛快慢，由松弛时间所决定 （这将在第七章介绍），如果实际变形时间比高聚物的松 弛时间大很多，则熔体的形变主要是粘性流动，因为弹性 变形在此时间内几乎都已经松弛了。反之，如果实际的形 变时间t 比熔体的松弛时间小得多，则以弹性变形为主。 （2 ）法向应力效应：高聚物熔体的流动在受剪切力作用时 可以解释某些非牛顿 流体特殊的流动特性 会产生法向应力差，从而呈现一些弹性现象 ，例如爬杆效应、挤 出膨胀等 简单剪切流动中，对牛顿流体，法向应力都是相等的： t t t P xx yy zz 非牛顿流体，法向应力不同。两个法向应力差：  2