流變學(xué)基礎(chǔ)課程第1頁(yè)/共76頁(yè)主要內(nèi)容流變學(xué)測(cè)量原理流變學(xué)定義剪切流動(dòng)流變測(cè)量?jī)x器流變學(xué)測(cè)量及其應(yīng)用粘度測(cè)量方法流動(dòng)曲線測(cè)量及應(yīng)用觸變性測(cè)量及應(yīng)用屈服應(yīng)力測(cè)量及應(yīng)用拉伸粘度測(cè)量及應(yīng)用粘彈性粘彈性概念粘彈性測(cè)試方法及應(yīng)用第2頁(yè)/共76頁(yè)流變學(xué)思想子在川上曰，逝者如斯夫，不舍晝夜。

《論語(yǔ).子罕篇》“pantarhei”(Everythingflows)孔丘，551BC–479BCHeraclitus赫拉克利特(紀(jì)元前五世紀(jì)的希臘哲學(xué)家)第3頁(yè)/共76頁(yè)LF

理想彈性體-Hook‘sLaw(1676)第4頁(yè)/共76頁(yè)TheresistanceofwhicharisesfromthelackofslipperinessoriginatingInafluid,otherthingsbeingequal,isproportionaltothevelocitybywhichthepartsofthefluidarebeingseparatedfromeachother.IsaacN.Newton(1687)FromRheologyPrinciples,Measurements,andApplicationsByC.W.Macosko,1994,VCHPublishers,page65理想液體-Newton’sLaw（1687）第5頁(yè)/共76頁(yè)流變學(xué)成為獨(dú)立的學(xué)科-1929EugeneCookBingham(1878-1945)THENAMEThetermdeformationandflowofmatterisarathercumbersomeonetocoverthesubjectsofelasticity,viscosityandplasticity.Thereisnosinglewordtocoverthefield,sotheonlyrecoursehasbeentoinventone.TheGreekrootstoflowandscience,alreadyfamiliarinnumerouswordssuchasrheostatandgeology,madethetermtheologyappeartobeatthesametimedistinctiveandselfexplanatory.From“RHEOLOGY:ANHISTORICALPERSPECTIVE”，RI.TannerandK.WaltersRheology:rheo(toflow)+logos(science)第6頁(yè)/共76頁(yè)流變學(xué)-Rheology流變學(xué)是研究材料流動(dòng)與變形的學(xué)科“thescienceofdeformationandflow”Rheology:rheo(toflow)+logos(science)第7頁(yè)/共76頁(yè)流變學(xué)-Whatisrheology?流動(dòng)FLOW測(cè)量樣品粘度流動(dòng)的阻力樣品稠稀樣品是否能被泵送實(shí)驗(yàn)方法粘度測(cè)量（Viscometry）變形DEFORMATION材料在流動(dòng)之前的行為表征粘彈性VISCOELASTICITY.預(yù)測(cè)樣品性能樣品分類樣品的穩(wěn)定性–是否發(fā)生沉降?實(shí)驗(yàn)方法振蕩（Oscillation）蠕變（Creep）,松弛（Relaxation）“thescienceofdeformationandflow”第8頁(yè)/共76頁(yè)材料流變學(xué)參數(shù)材料配方微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)品使用性能材料加工過(guò)程流變學(xué)與材料之間的關(guān)系第9頁(yè)/共76頁(yè)醫(yī)藥和個(gè)人護(hù)理品儲(chǔ)存時(shí)間,感官知覺(jué),屈服點(diǎn),凝膠強(qiáng)度等食品Foods口感,儲(chǔ)存穩(wěn)定性,烹飪特性,加工性能,擠出,涂抹等陶瓷工業(yè)Ceramics穩(wěn)定性,泵送性,鑄件性能石化產(chǎn)品Petrochemicals潤(rùn)滑劑配方,粘溫曲線,鉆井液-懸浮體系泵送性能,高溫高壓下的流動(dòng)性能高分子材料Plasticsandpolymers注塑,擠出,分子量分布,分子結(jié)構(gòu)表征,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等涂料、油墨和油漆Paints,inksandcoatings粘輥飛濺,噴霧,膜厚度,管道輸運(yùn),垂掛流平,沉降（儲(chǔ)存）粘合劑Adhesives固化時(shí)間和凝膠點(diǎn),壓敏性能等瀝青Asphalt瀝青硬度,疲勞,車轍,低溫開(kāi)裂,SHRP標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試等流變學(xué)應(yīng)用非常廣泛第10頁(yè)/共76頁(yè)剪切流動(dòng)測(cè)試抽象模型

基本概念-剪切adbA假設(shè)一個(gè)立方體的長(zhǎng)寬高分別為a，b，d。面積A=ab

高=d第11頁(yè)/共76頁(yè)基本概念-剪切應(yīng)力（Shearstress）單位面積所受的剪切力（Theappliedforceperunitarea）1N/m2=1Pa剪切應(yīng)力Pa第12頁(yè)/共76頁(yè)基本概念-剪切應(yīng)變（Shearstrain）剪切應(yīng)變（Shearstrain）被簡(jiǎn)稱為應(yīng)變（Strain）無(wú)量綱，常常用%表示剪切應(yīng)變無(wú)量綱第13頁(yè)/共76頁(yè)基本概念-剪切速率（Shearrate）剪切應(yīng)變速率（Shearstrainrate）或者剪切速率（Shearrate），表示剪切應(yīng)變快慢單位s-1剪切速率S-1第14頁(yè)/共76頁(yè)剪切粘度(Shearviscosity)粘度就是流動(dòng)的阻力粘度越大，越難流動(dòng)（蜂蜜，酸奶等）粘度越小，越容易流動(dòng)（水等）剪切粘度=剪切應(yīng)力（施加外力）剪切速率（運(yùn)動(dòng)速度）Pa.s單位（Unit）PascalsecondPa.s(SI)PoiseP(CGS)1Pa.s=10P,1mPa.s=1cP第15頁(yè)/共76頁(yè)典型的流動(dòng)曲線（Flowbehavior）ShearRate

e.g.硅油,懸浮液StressShearRate牛頓流體假塑性流體脹塑性流體StressShearRateStressShearRateViscosityViscosityShearRateViscosityShearRatee.g.聚合物熔體e.g.PVC糊等剪切變稀剪切增稠第16頁(yè)/共76頁(yè)剪切變稀-ShearThinning為什么會(huì)剪切變稀?Log

.Log平衡分子鏈纏結(jié)點(diǎn)解纏>重建沒(méi)有纏結(jié)纏結(jié)越多，越難以流動(dòng)，粘度越大第17頁(yè)/共76頁(yè)流變學(xué)研究?jī)x器-RheologyInstrumentationCapillaryRotational第18頁(yè)/共76頁(yè)旋轉(zhuǎn)流變儀怎樣工作…主要部件是空氣軸承組件…包括:拖杯馬達(dá)Dragcupmotor空氣軸承Airbearing位置傳感器Positionsensors測(cè)量系統(tǒng)Measuringsystem樣品Temperaturecontrolledsample第19頁(yè)/共76頁(yè)旋轉(zhuǎn)流變儀施加剪切在穩(wěn)態(tài)測(cè)量模式時(shí)，上板向一個(gè)方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)在振蕩測(cè)試下，上板來(lái)回振動(dòng)兩者都是對(duì)樣品施加剪切上板振動(dòng)上板旋轉(zhuǎn)Force,Fud第20頁(yè)/共76頁(yè)旋轉(zhuǎn)流變儀應(yīng)用穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)測(cè)試流動(dòng)性測(cè)試，剪切粘度/剪切速率、時(shí)間、溫度，剪切應(yīng)力，屈服應(yīng)力，觸變性等振蕩測(cè)試粘彈性測(cè)試，儲(chǔ)能模量（G’），損耗模量（G’’），損耗角（δ），復(fù)數(shù)粘度（η*），材料結(jié)構(gòu)，固化曲線蠕變回復(fù)測(cè)試粘彈性測(cè)試，蠕變?nèi)崃浚↗），模量，零剪切粘度等應(yīng)力松弛測(cè)試粘彈性測(cè)試，松弛時(shí)間譜等多波測(cè)試凝膠點(diǎn)，固化曲線等側(cè)重材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)不僅是旋轉(zhuǎn)流變儀……第21頁(yè)/共76頁(yè)主要部件是料桶……包括樣品壓力傳感器溫度傳感器活塞口模Rosand毛細(xì)管流變儀示意圖第22頁(yè)/共76頁(yè)控制活塞速度(相當(dāng)于控制剪切速率)壓力與剪切應(yīng)力相關(guān)(測(cè)量壓力計(jì)算剪切應(yīng)力).毛細(xì)管流變儀原理第23頁(yè)/共76頁(yè)恒溫,不可壓縮流體，穩(wěn)定流動(dòng)-RR0速度分布-R0R

剪切速率0Volumen./s牛頓流體非牛頓流體毛細(xì)管流變儀原理牛頓流體校正第24頁(yè)/共76頁(yè)毛細(xì)管流變儀：主要應(yīng)用第25頁(yè)/共76頁(yè)典型的剪切速率范圍旋轉(zhuǎn)流變儀毛細(xì)管流變儀樣品：從水到高粘度樣品結(jié)果：

剪切粘度，拉伸粘度，壁面滑移等…10-210-3流平，垂掛，沉降104101擠出，泵送100102浸漬，涂刷，混合103106粘輥,噴霧樣品：水到固體結(jié)果：剪切粘度，屈服應(yīng)力，粘彈性，松弛等…沒(méi)有破壞結(jié)構(gòu)

DMA樣品:固體結(jié)果:復(fù)數(shù)模量，溫度依賴性，松弛等...s-110510-1第26頁(yè)/共76頁(yè)剪切速率與應(yīng)用相關(guān)樣品儲(chǔ)存超低剪切速率:~0.001s-1樣品穩(wěn)定性,樣品質(zhì)量…儲(chǔ)存使用樣品輸送剪切速率:~10s-1Pumpability?Scoopability?樣品使用-1低剪切速率:~1s-1Flowsaway?Flowsoffhand?樣品使用-2高剪切速率:~100s-1太粘稠?感覺(jué)如何?第27頁(yè)/共76頁(yè)護(hù)手霜流動(dòng)曲線兩種不同的護(hù)手霜.在不同的條件表現(xiàn)不同的材料性質(zhì)樣品儲(chǔ)存樣品使用1樣品輸送樣品使用2第28頁(yè)/共76頁(yè)LogViscosityLogShearRate屈服應(yīng)力-“YIELDSTRESS”剪切速率趨于零時(shí)，剪切粘度趨于無(wú)窮大，就像固體一樣在靜止時(shí)不流動(dòng)零剪切粘度-ZEROSHEARVISCOSITY剪切速率趨于零時(shí)，剪切粘度有出現(xiàn)平臺(tái)，就像液體靜止時(shí)也流動(dòng)10-6106Studyingweaker

interactionsStudyingstrongerinteractions流變儀測(cè)試范圍粘度計(jì)測(cè)試范圍典型的粘度曲線第29頁(yè)/共76頁(yè)粘度測(cè)量零剪切粘度“ZEROSHEARVISCOSITY”沐浴露屈服應(yīng)力“YIELDSTRESS”護(hù)手霜第30頁(yè)/共76頁(yè)粘度測(cè)量應(yīng)用:健胃消食糖漿（IndigestionRelief）兩種健胃消食糖漿碳酸鈣或者碳酸鈉的懸浮液雖然成分相似，但Branded的粘度大，更稠因此，Branded比較穩(wěn)定，不易發(fā)生沉降–低剪切速率過(guò)程然而，喝起來(lái)可能感覺(jué)太稠–中等剪切速率過(guò)程O(píng)–SupermarketBrand-Branded第31頁(yè)/共76頁(yè)有些東西在外力作用下并不流動(dòng)想想牙膏，為什么要用力才能將牙膏擠出？牙膏在牙刷上為什么不流動(dòng)？為什么要用力搖瓶子才可以將番茄醬倒出？番茄醬在盤子上不會(huì)像水一樣到處流動(dòng)？屈服應(yīng)力第32頁(yè)/共76頁(yè)屈服應(yīng)力（Yieldstress）屈服應(yīng)力就是使得材料流動(dòng)所需要的最小的力。剪切速率剪切應(yīng)力第33頁(yè)/共76頁(yè)屈服應(yīng)力測(cè)量及應(yīng)用施加逐漸增大的應(yīng)力ViscosityShearStressYieldStressStressTime具有屈服應(yīng)力的材料，在屈服點(diǎn)以前發(fā)生拉伸峰值對(duì)應(yīng)的應(yīng)力就是從類固體轉(zhuǎn)變?yōu)轭愐后w所需要的力即使是低粘度材料，也可能具有屈服應(yīng)力，如打印墨水如果沒(méi)有屈服應(yīng)力，材料可能就會(huì)從噴嘴流出屈服應(yīng)力就是打印時(shí)所需要的能量壁壘第34頁(yè)/共76頁(yè)屈服應(yīng)力測(cè)量Nopeak,therefore,noyieldstressShowerGelPeak=yieldstressHandCream第35頁(yè)/共76頁(yè)除了與剪切速率有關(guān)，還與時(shí)間有關(guān)(time

dependent).涂料：儲(chǔ)存時(shí)很稠，可以儲(chǔ)存幾個(gè)月，但粉刷之前需要攪拌，使得涂料變稀然而，粉刷時(shí)需要涂料不要太稠，就是因?yàn)橛|變性，涂料粘度不會(huì)迅速回復(fù)，而是需要一定的時(shí)間.不只是剪切變稀–觸變性（Thixotropy）儲(chǔ)存低剪切速率涂料“稠”攪拌高剪切速率剪切變稀.使用低剪切速率觸變性：多長(zhǎng)時(shí)間又變稠第36頁(yè)/共76頁(yè)觸變性測(cè)量及應(yīng)用

兩種樣品，一種觸變性很強(qiáng)，另一種觸變性不強(qiáng)TimeShearrateViscosityTime涂料質(zhì)量差–會(huì)有刷印因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)恢復(fù)很快，很快涂料粘度就會(huì)增大涂料質(zhì)量好–表面平滑結(jié)構(gòu)恢復(fù)慢，有足夠的時(shí)間流平TimeShearrateStorepaintLowshearrateAppears“thick”StirpaintHighshearrateBecomesthinner,shearthinning.ApplypaintLowshear

rateTermedthixotropic:ittakestimetobecomethickagain/rebuild第37頁(yè)/共76頁(yè)觸變性測(cè)量及應(yīng)用監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)回復(fù)過(guò)程剪切速率曲線典型的固液分散體系特征健胃消食糖漿第38頁(yè)/共76頁(yè)觸變性測(cè)量及應(yīng)用兩種健胃消食糖漿碳酸鈣或者碳酸鈉的懸浮液模擬材料的使用過(guò)程：儲(chǔ)存，使用前搖晃Branded剪切變稀更明顯（高剪切速率下剪切粘度更低），且需要很長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行回復(fù)–觸變性更強(qiáng)因此，更加穩(wěn)定（低剪切速率下粘度大），口感更好（搖晃后需要更長(zhǎng)時(shí)間回復(fù)）O–SupermarketBrand-Branded第39頁(yè)/共76頁(yè)流變學(xué)-Whatisrheology?流動(dòng)FLOW測(cè)量樣品粘度流動(dòng)的阻力樣品稠稀樣品是否能被泵送實(shí)驗(yàn)方法粘度測(cè)量（Viscometry）變形DEFORMATION材料在流動(dòng)之前的行為表征粘彈性VISCOELASTICITY.預(yù)測(cè)樣品性能樣品分類樣品的穩(wěn)定性–是否發(fā)生沉降?實(shí)驗(yàn)方法振蕩（Oscillation）蠕變（Creep）,松弛（Relaxation）“thescienceofdeformationandflow”第40頁(yè)/共76頁(yè)

彈性儲(chǔ)存能量，粘性消耗能量Elasticitystoresenergy,viscositydissipatesenergy!Shorttimescale–bounceLongtimescale-flows粘彈性–WhatisViscoelasticity?

既具有彈性有具有粘性(Combinedeffectofelasticityandviscosity)第41頁(yè)/共76頁(yè)短時(shí)間尺度-彈性主導(dǎo)長(zhǎng)時(shí)間尺度-粘性主導(dǎo)PDMS典型的聚合物熔體行為粘彈性-ConsequencesofViscoelasticity第42頁(yè)/共76頁(yè)粘彈性-Viscoelasticity許多材料表現(xiàn)出粘彈性：在某些加工過(guò)程中表現(xiàn)出粘性，在某些加工過(guò)程中表現(xiàn)出彈性材料響應(yīng)依賴于觀察時(shí)間尺度（timescale）時(shí)間尺度Timescale第43頁(yè)/共76頁(yè)

Year

Event1930 stemwascut1938(Dec.) 1stdrop1947(Feb) 2nddrop1954(Apr.) 3rddrop1962(May) 4thdrop1970(Aug.) 5thdrop1979(Apr.) 6thdrop1988(Jul.) 7thdrop 2000(Nov.) 8thdropfellUniversityofQueensland(Brisbane,Austr.)Prof.Parnell,1927The“Pitch-Drop-Experiment”第44頁(yè)/共76頁(yè)粘彈性測(cè)試-Howtostudythevisco-elasticity?測(cè)試方法可以分為：蠕變(Creep)振蕩剪切(Oscillation)應(yīng)力松弛(Relaxation)材料不同時(shí)間尺度的響應(yīng)振蕩剪切和蠕變最常用第45頁(yè)/共76頁(yè)蠕變（Creep）蠕變測(cè)試施加恒定應(yīng)力觀察應(yīng)變隨時(shí)間的變化通常用柔量（J=應(yīng)變/應(yīng)力）與時(shí)間表示可以用來(lái)計(jì)算零剪切粘度回復(fù)撤掉外力觀察可恢復(fù)應(yīng)變測(cè)量彈性第46頁(yè)/共76頁(yè)蠕變回復(fù)曲線（Creepandrecovery）不可回復(fù)形變?chǔ)觮t3t0t13

4

5

2

1

彈性回復(fù)tt3t0t1γ第47頁(yè)/共76頁(yè)蠕變回復(fù)測(cè)試應(yīng)用可以模擬恒定應(yīng)力的過(guò)程實(shí)驗(yàn)，如受重力作用的過(guò)程垂掛，沉降等過(guò)程蠕變還可以直接測(cè)量：零剪切粘度屈服應(yīng)力第48頁(yè)/共76頁(yè)蠕變應(yīng)用-零剪切粘度彈性回復(fù)零剪切粘度不可回復(fù)形變第49頁(yè)/共76頁(yè)蠕變應(yīng)用-屈服應(yīng)力蛋黃醬蠕變曲線-屈服應(yīng)力10-30Pa40Pa第50頁(yè)/共76頁(yè)應(yīng)力松弛（Stressrelaxation）施加恒定應(yīng)變（形變）觀察應(yīng)力隨時(shí)間的變化Time(s)0.001 0.01 0.1 1 10 100Strain%瞬間階躍應(yīng)變 恒定應(yīng)變 101.00.10.010.001第51頁(yè)/共76頁(yè)Time(s)0.001 0.01 0.1 1 10 100StressPa

施加應(yīng)變 保持恒定應(yīng)變

101.00.10.01粘性材料應(yīng)力衰減瞬間彈性材料–應(yīng)力恒定應(yīng)力松弛第52頁(yè)/共76頁(yè)應(yīng)力松弛應(yīng)用測(cè)試時(shí)間很短應(yīng)力松弛可以用于計(jì)算零剪切粘度可以計(jì)算材料的松弛時(shí)間第53頁(yè)/共76頁(yè)LDPE,190°C,平行板25mm通過(guò)Alfrey’srule計(jì)算松弛譜

松弛時(shí)間~75ms零剪切切粘度~97kPas應(yīng)力松弛-LDPE第54頁(yè)/共76頁(yè)振蕩剪切（Oscillation）將周期應(yīng)力或者應(yīng)變施加于樣品儲(chǔ)能模量（G’），損耗模量（G’’）vs頻率可得到不同時(shí)間尺度的材料響應(yīng)上板振動(dòng)InputStressMeasuredStrainτ第55頁(yè)/共76頁(yè)彈性和粘性響應(yīng)（Elastic&viscousresponse）第56頁(yè)/共76頁(yè)粘彈性響應(yīng)（Visco-ElasticResponse）第57頁(yè)/共76頁(yè)粘彈性參數(shù)復(fù)數(shù)模量ComplexModulus(G*) 應(yīng)力/應(yīng)變儲(chǔ)能模量StorageModulus(G’) 彈性，可回復(fù)部分損耗模量LossModulus(G”)粘性，耗散能量從而計(jì)算復(fù)數(shù)粘度（η*）等參數(shù)第58頁(yè)/共76頁(yè)振蕩剪切測(cè)量在振蕩剪切中，有兩個(gè)基本量可以控制振幅（AMPLITUDE）,應(yīng)力（stress）或者應(yīng)變（strain）通過(guò)振幅掃描實(shí)驗(yàn)確定線性粘彈區(qū)（LinearViscoelasticRegion）時(shí)間尺度（timescale）-頻率（FREQUENCY）頻率掃描可以得到材料不同時(shí)間尺度的響應(yīng)1.Amplitude2.Frequency第59頁(yè)/共76頁(yè)可以判斷懸浮體系穩(wěn)定性儲(chǔ)能模量隨應(yīng)變?cè)龃蟛蛔儠r(shí)，我們認(rèn)為材料的結(jié)構(gòu)沒(méi)有被破壞動(dòng)態(tài)振蕩實(shí)驗(yàn)都需要在線性粘彈區(qū)內(nèi)進(jìn)行SmallLVRG’StorageModulusStrainLargeLVR可以使用“CohesiveEnergy”來(lái)表征材料的穩(wěn)定性需要多少能量破壞材料結(jié)構(gòu)線性區(qū)越大，越穩(wěn)定C.E.=?G’

g2振幅掃描（AmplitudeSweep）第60頁(yè)/共76頁(yè)LINEARVISCOELASTICREGION-LVR0.02-護(hù)手霜護(hù)手霜振幅掃描第61頁(yè)/共76頁(yè)HandcreamAviscoelasticSOLID.Phaseangle0°at0Hz.FrequencySweepmustberunintheLVRFingerprintofmaterialpropertiesTypicalliquidinliquiddispersionHandCream頻率掃描（FrequencySweep）第62頁(yè)/共76頁(yè)G’’–Loss(Liquidlike)modulusG’–Storage(Solidlike)modulusd–Phaseangle低頻長(zhǎng)時(shí)間尺度G’’>G’LIQUIDLIKE高頻短時(shí)間尺度G’>G’’SOLIDLIKEAsolidinliquiddispersionPlayPutty–頻率掃描（Freq.Sweep）第63頁(yè)/共76頁(yè)G’&G’’CombinedModulus–materialstiffness低頻SmallvalueofG’&G’’

combinedWEAKER高頻LargevalueforG’&G’’combinedSTIFFERPlayPutty-Stiffness第64頁(yè)/共76頁(yè)GEL三種典型材料行為.根據(jù)材料在無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間尺度（0Hz）的響應(yīng)來(lái)劃分材料行為Visco-ElasticSOLIDVisco-ElasticLIQUID材料行為Frequency

G’,G’’

ModulusFrequency

Frequency

δ

PhaseAngle觀察相位角（phaseangle）…粘彈性固體（VISCOELASTICSOLID）:phaseangle0°at0Hz粘彈性液體（VISCOELASTICLIQUID）:phaseangle90°at0Hz凝膠GEL:相位角與頻率沒(méi)有關(guān)系第65頁(yè)/共76頁(yè)固體還是液體？PlayPutty是粘彈性液體（VISCOELASTICLIQUID!）護(hù)手霜是粘彈性固體（VISCOEASTICSOLID!）Phaseangle90°at0Hz

Liqu