《流变学基础》PPT课件.ppt

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1、旋转流变仪培训教程 01,流变学基础,主要内容,流变学测量原理流变学定义剪切流动流变测量仪器流变学测量及其应用粘度测量方法流动曲线测量及应用触变性测量及应用屈服应力测量及应用拉伸粘度测量及应用粘弹性粘弹性概念粘弹性测试方法及应用,流变学思想,子在川上曰，逝者如斯夫，不舍昼夜。论语.子罕篇,“panta rhei”(Everything flows),孔丘，551BC 479BC,Heraclitus赫拉克利特(纪元前五世纪的希腊哲学家),L F,理想弹性体-Hooks Law(1676),The resistance of which arises from the lack of slipp

2、eriness originatingIn a fluid,other things being equal,is proportional to the velocity by whichthe parts of the fluid are being separated from each other.Isaac N.Newton(1687)From Rheology Principles,Measurements,and ApplicationsBy C.W.Macosko,1994,VCH Publishers,page 65,理想液体-Newtons Law（1687）,流变学成为独

3、立的学科-1929,Eugene Cook Bingham(1878-1945),THE NAMEThe term deformation and flow of matter is a rather cumbersome one to cover the subjects of elasticity,viscosity and plasticity.There is no single word to cover the field,so the only recourse has been to invent one.The Greek roots to flow and science,

4、already familiar in numerous words such as rheostat and geology,made the term theology appear to be at the same time distinctive and self explanatory.From“RHEOLOGY:AN HISTORICAL PERSPECTIVE”，RI.Tanner and K.Walters,Rheology:rheo(to flow)+logos(science),流变学-Rheology,流变学是研究材料流动与变形的学科,“the science of d

5、eformation and flow”,Rheology:rheo(to flow)+logos(science),流变学-What is rheology?,流动 FLOW测量样品粘度流动的阻力样品稠稀样品是否能被泵送实验方法粘度测量（Viscometry）,变形DEFORMATION材料在流动之前的行为表征粘弹性 VISCOELASTICITY.预测样品性能样品分类样品的稳定性 是否发生沉降?实验方法振荡（Oscillation）蠕变（Creep）,松弛（Relaxation）,“the science of deformation and flow”,材料流变学参数,材料配方微观结构,

6、产品使用性能,材料加工过程,流变学与材料之间的关系,医药和个人护理品储存时间,感官知觉,屈服点,凝胶强度等食品 Foods口感,储存稳定性,烹饪特性,加工性能,挤出,涂抹等陶瓷工业 Ceramics稳定性,泵送性,铸件性能石化产品 Petrochemicals润滑剂配方,粘温曲线,钻井液-悬浮体系泵送性能,高温高压下的流动性能高分子材料 Plastics and polymers注塑,挤出,分子量分布,分子结构表征,玻璃化转变温度等涂料、油墨和油漆 Paints,inks and coatings粘辊飞溅,喷雾,膜厚度,管道输运,垂挂流平,沉降（储存）粘合剂 Adhesives固化时间和凝胶点

7、,压敏性能等沥青 Asphalt沥青硬度,疲劳,车辙,低温开裂,SHRP标准测试等,流变学应用非常广泛,剪切流动测试抽象模型基本概念-剪切,a,d,b,A,假设一个立方体的长宽高分别为a，b，d。,面积A=ab 高=d,基本概念-剪切应力（Shear stress）,单位面积所受的剪切力（The applied force per unit area）1 N/m2=1 Pa,剪切应力,Pa,基本概念-剪切应变（Shear strain）,剪切应变（Shear strain）被简称为应变（Strain）无量纲，常常用%表示,剪切应变,无量纲,基本概念-剪切速率（Shear rate）,剪切应变速

8、率（Shear strain rate）或者剪切速率（Shear rate），表示剪切应变快慢单位 s-1,剪切速率,S-1,剪切粘度(Shear viscosity),粘度就是流动的阻力粘度越大，越难流动（蜂蜜，酸奶等）粘度越小，越容易流动（水等）,剪切粘度=,剪切应力（施加外力）,剪切速率（运动速度）,Pa.s,单位（Unit）Pascal second Pa.s(SI)Poise P(CGS)1 Pa.s=10 P,1 mPa.s=1 cP,典型的流动曲线（Flow behavior）,Shear Rate,e.g.硅油,悬浮液,Stress,Shear Rate,牛顿流体,假塑性流体,

9、胀塑性流体,Stress,Shear Rate,Stress,Shear Rate,Viscosity,Viscosity,Shear Rate,Viscosity,Shear Rate,e.g.聚合物熔体,e.g.PVC糊等,剪切变稀,剪切增稠,剪切变稀-Shear Thinning,为什么会剪切变稀?,Log,.,Log,平衡,分子链,缠结点,解缠 重建,没有缠结,缠结越多，越难以流动，粘度越大,流变学研究仪器-Rheology Instrumentation,Capillary,Rotational,旋转流变仪怎样工作,主要部件是空气轴承组件包括:拖杯马达Drag cup motor空气

10、轴承Air bearing位置传感器Position sensors测量系统Measuring system样品 Temperature controlled sample,旋转流变仪施加剪切,在稳态测量模式时，上板向一个方向连续旋转在振荡测试下，上板来回振动两者都是对样品施加剪切,上板旋转,Force,F,u,d,旋转流变仪应用,稳态/瞬态测试流动性测试，剪切粘度/剪切速率、时间、温度，剪切应力，屈服应力，触变性等振荡测试粘弹性测试，储能模量（G），损耗模量（G），损耗角（），复数粘度（*），材料结构，固化曲线蠕变回复测试粘弹性测试，蠕变柔量（J），模量，零剪切粘度等应力松弛测试粘弹性测试，

11、松弛时间谱等多波测试凝胶点，固化曲线等侧重材料内部结构,不仅是旋转流变仪,主要部件是料桶包括样品压力传感器温度传感器活塞口模,Rosand 毛细管流变仪示意图,控制活塞速度(相当于控制剪切速率)压力与剪切应力相关(测量压力计算剪切应力).,毛细管流变仪原理,恒温,不可压缩流体，稳定流动,毛细管流变仪原理,牛顿流体,校正,毛细管流变仪：主要应用,典型的剪切速率范围,旋转流变仪,毛细管流变仪,样品：从水到高粘度样品结果：剪切粘度，拉伸粘度，壁面滑移等,10-2,10-3,流平，垂挂，沉降,104,101,挤出，泵送,100,102,浸渍，涂刷，混合,103,106,粘辊,喷雾,样品：水到固体结果：

12、剪切粘度，屈服应力，粘弹性，松弛等,没有破坏结构,DMA,样品:固体结果:复数模量，温度依赖性，松弛等.,s-1,105,10-1,剪切速率与应用相关,样品储存超低剪切速率:0.001s-1样品稳定性,样品质量,储 存,使 用,样品输送剪切速率:10s-1Pumpability?Scoopability?,样品使用-1低剪切速率:1s-1Flows away?Flows off hand?,样品使用-2高剪切速率:100s-1太粘稠?感觉如何?,护手霜流动曲线,两种不同的护手霜.在不同的条件表现不同的材料性质,样品储存,样品使用 1,样品输送,样品使用 2,Log Viscosity,Log

13、Shear Rate,屈服应力-“YIELD STRESS”剪切速率趋于零时，剪切粘度趋于无穷大，就像固体一样在静止时不流动,零剪切粘度-ZERO SHEAR VISCOSITY剪切速率趋于零时，剪切粘度有出现平台，就像液体静止时也流动,10-6,106,Studying weaker interactions,Studying strongerinteractions,流变仪测试范围,粘度计测试范围,典型的粘度曲线,粘度测量,零剪切粘度“ZERO SHEAR VISCOSITY”沐浴露,屈服应力“YIELD STRESS”护手霜,粘度测量应用:健胃消食糖浆（Indigestion Relie

14、f）,两种健胃消食糖浆碳酸钙或者碳酸钠的悬浮液,虽然成分相似，但 Branded 的粘度大，更稠因此，Branded比较稳定，不易发生沉降 低剪切速率过程然而，喝起来可能感觉太稠 中等剪切速率过程,O Supermarket Brand-Branded,有些东西在外力作用下并不流动,想想牙膏，为什么要用力才能将牙膏挤出？牙膏在牙刷上为什么不流动？为什么要用力摇瓶子才可以将番茄酱倒出？番茄酱在盘子上不会像水一样到处流动？,屈服应力,屈服应力（Yield stress）,屈服应力就是使得材料流动所需要的最小的力。,剪切速率,剪切应力,屈服应力测量及应用,施加逐渐增大的应力,Viscosity,Sh

15、ear Stress,Yield Stress,具有屈服应力的材料，在屈服点以前发生拉伸峰值对应的应力就是从类固体转变为类液体所需要的力,即使是低粘度材料，也可能具有屈服应力，如打印墨水如果没有屈服应力，材料可能就会从喷嘴流出屈服应力就是打印时所需要的能量壁垒,屈服应力测量,No peak,therefore,no yield stress Shower Gel,Peak=yield stressHand Cream,除了与剪切速率有关，还与时间有关(time dependent).涂料：储存时很稠，可以储存几个月，但粉刷之前需要搅拌，使得涂料变稀然而，粉刷时需要涂料不要太稠，就是因为触变性，

16、涂料粘度不会迅速回复，而是需要一定的时间.,不只是剪切变稀 触变性（Thixotropy）,触变性测量及应用,两种样品，一种触变性很强，另一种触变性不强,Time,Shear rate,Viscosity,Time,涂料质量差会有刷印 因为结构恢复很快，很快涂料粘度就会增大,涂料质量好 表面平滑结构恢复慢，有足够的时间流平,Time,Shear rate,Store paintLow shear rateAppears“thick”,Stir paintHigh shear rateBecomes thinner,shear thinning.,Apply paintLow shearrate

17、Termed thixotropic:it takes time to become thick again/rebuild,触变性测量及应用,监测结构回复过程,剪切速率曲线,典型的固液分散体系特征健胃消食糖浆,触变性测量及应用,两种健胃消食糖浆碳酸钙或者碳酸钠的悬浮液,模拟材料的使用过程：储存，使用前摇晃Branded 剪切变稀更明显（高剪切速率下剪切粘度更低），且需要很长的时间进行回复 触变性更强因此，更加稳定（低剪切速率下粘度大），口感更好（摇晃后需要更长时间回复）,O Supermarket Brand-Branded,流变学-What is rheology?,流动 FLOW测量样品

18、粘度流动的阻力样品稠稀样品是否能被泵送实验方法粘度测量（Viscometry）,变形DEFORMATION材料在流动之前的行为表征粘弹性 VISCOELASTICITY.预测样品性能样品分类样品的稳定性 是否发生沉降?实验方法振荡（Oscillation）蠕变（Creep）,松弛（Relaxation）,“the science of deformation and flow”,弹性储存能量，粘性消耗能量Elasticity stores energy,viscosity dissipates energy!,Short timescale bounce Long timescale-flow

19、s,粘弹性 What is Viscoelasticity?,既具有弹性有具有粘性(Combined effect of elasticity and viscosity),短时间尺度-弹性主导长时间尺度-粘性主导,PDMS 典型的聚合物熔体行为,粘弹性-Consequences of Viscoelasticity,粘弹性-Viscoelasticity,许多材料表现出粘弹性：在某些加工过程中表现出粘性，在某些加工过程中表现出弹性材料响应依赖于观察时间尺度（timescale）,时间尺度Timescale,Year Event1930stem was cut 1938(Dec.)1st dr

20、op1947(Feb)2nd drop1954(Apr.)3rd drop1962(May)4th drop1970(Aug.)5th drop1979(Apr.)6th drop1988(Jul.)7th drop2000(Nov.)8th drop fell,University of Queensland(Brisbane,Austr.)Prof.Parnell,1927,The“Pitch-Drop-Experiment”,粘弹性测试-How to study the visco-elasticity?,测试方法可以分为：蠕变(Creep)振荡剪切(Oscillation)应力松弛(R

21、elaxation)材料不同时间尺度的响应振荡剪切和蠕变最常用,蠕变（Creep）,蠕变测试施加恒定应力观察应变随时间的变化通常用柔量（J=应变/应力）与时间表示可以用来计算零剪切粘度回复撤掉外力观察可恢复应变测量弹性,蠕变回复曲线（Creep and recovery）,不可回复形变,蠕变回复测试应用,可以模拟恒定应力的过程实验，如受重力作用的过程垂挂，沉降等过程蠕变还可以直接测量：零剪切粘度屈服应力,蠕变应用-零剪切粘度,零剪切粘度,不可回复形变,蠕变应用-屈服应力,蛋黄酱蠕变曲线-屈服应力,10-30 Pa,40 Pa,应力松弛（Stress relaxation）,施加恒定应变（形变）

22、观察应力随时间的变化,0.001,Time(s),0.0010.010.1110100,Stress Pa,施加应变 保持恒定应变,10,1.0,0.1,0.01,粘性材料应力衰减 瞬间,弹性材料 应力恒定,应力松弛,应力松弛应用,测试时间很短应力松弛可以用于计算零剪切粘度可以计算材料的松弛时间,LDPE,190C,平行板 25mm 通过Alfreys rule计算松弛谱 松弛时间 75ms零剪切切粘度 97kPas,应力松弛-LDPE,振荡剪切（Oscillation）,将周期应力或者应变施加于样品储能模量（G），损耗模量（G）vs 频率可得到不同时间尺度的材料响应,弹性和粘性响应（Elas

23、tic&viscous response）,粘弹性响应（Visco-Elastic Response）,粘弹性参数,复数模量 Complex Modulus(G*)应力/应变储能模量 Storage Modulus(G)弹性，可回复部分损耗模量 Loss Modulus(G”)粘性，耗散能量,从而计算复数粘度（*）等参数,振荡剪切测量,在振荡剪切中，有两个基本量可以控制振幅（AMPLITUDE）,应力（stress）或者应变（strain）通过振幅扫描实验确定线性粘弹区（Linear Viscoelastic Region）时间尺度（timescale）-频率（FREQUENCY）频率扫描可以

24、得到材料不同时间尺度的响应,1.Amplitude,2.Frequency,可以判断悬浮体系稳定性储能模量随应变增大不变时，我们认为材料的结构没有被破坏动态振荡实验都需要在线性粘弹区内进行,Small LVR,G Storage Modulus,Strain,Large LVR,可以使用“Cohesive Energy”来表征材料的稳定性需要多少能量破坏材料结构线性区越大，越稳定,C.E.=G g2,振幅扫描（Amplitude Sweep）,LINEAR VISCOELASTIC REGION-LVR0.02-护手霜,护手霜,振幅扫描,Hand creamA viscoelastic SOL

25、ID.Phase angle 0 at 0Hz.,Frequency Sweep must be run in the LVRFingerprint of material properties,Typical liquid in liquid dispersionHand Cream,频率扫描（Frequency Sweep）,G Loss(Liquid like)modulus,G Storage(Solid like)modulus,d Phase angle,低频长时间尺度G GLIQUID LIKE,高频短时间尺度G GSOLID LIKE,A solid in liquid dis

26、persion,Play Putty 频率扫描（Freq.Sweep）,G&G CombinedModulus material stiffness,低频Small value ofG&G combinedWEAKER,高频Large value for G&G combinedSTIFFER,Play Putty-Stiffness,GEL,三种典型材料行为.根据材料在无限长的时间尺度（0Hz）的响应来划分材料行为,Visco-Elastic SOLID,Visco-Elastic LIQUID,材料行为,Frequency,G,G Modulus,Frequency,Frequency,P

27、hase Angle,观察相位角（phase angle）粘弹性固体（VISCOELASTIC SOLID）:phase angle 0 at 0Hz粘弹性液体（VISCOELASTIC LIQUID）:phase angle 90 at 0Hz凝胶 GEL:相位角与频率没有关系,固体还是液体？,Play Putty 是粘弹性液体（VISCOELASTIC LIQUID!）,护手霜是粘弹性固体（VISCOEASTIC SOLID!）,Phase angle 90 at 0Hz Liquid like at rest.,Phase angle 0 at 0Hz Solid like at res

28、t.,Zero shear viscosity.Flows at rest.,Yield stress.Does not flow at rest.,10,Frequency(Hz),Phase Angle,90,0,45,0.1,1,0.01,粘度和模量可能是一样的好样品是弹性占优，类固体（solid like）迅速收缩.差样品是粘性占优，类液体（liquid like）漏流,频率扫描 液体皂,表征胶水粘接过程.开始，粘性占优 容易使用.最后，弹性占优 粘接的牢固.,Time,凝胶点,G,G,完全固化区域,Modulus,时间扫描-胶水固化过程,黄油加热熔融 熔融之后,粘度降低相位角不同的波

29、峰 不同的组分,Complex Viscosity,R.T.,Phase Angle,F.T.,T.T.,R.T.室温,F.T.冷藏温度,T.T.烘烤温度,温度扫描 黄油（Butter）,Minimum viscosity=3.1 Pas,Gel time=128 s,Final Cure,环氧树脂固化-升温和降温程序,基频0.1Hz,谐波高达30Hz 根据Winter的定义确定凝胶点,凝胶点Gel Point,复合波测试确定凝胶点,低温:模量过高相位角太小,高温:模量太低相位角太高,长时间:模量太高相位角太小,沥青（Asphalt performance）,车辙Rutting,低温裂纹Low temp cracking,疲劳裂纹Fatigue cracking,沥青-车辙（M320 Binder Specification）,Tank Original Binder:,RTFOT Aged Binder:,沥青-疲劳开裂（M320 Binder Specification）,结束,谢谢！,网上多媒体讲座Open to allRaising rheologys profile,