粘弹性:熔融指数,粘(黏)度、剪切粘度、拉伸粘度、平台模量、损耗模量、储能模量、松弛时间解惑.I

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粘弹性:熔融指数,粘(黏)度、剪切粘度、拉伸粘度、平台模量、损耗模量、储能模量、松弛时间解惑.I

2024-05-29 00:32| 来源: 网络整理| 查看: 265

前言:高分子加工过程材料会发生一系列的流动、形变,在这些过程里材料会表现出其独特的流动、形变特性,这也是材料流变学关注的研究重点。粘(黏)度、剪切粘度、拉伸粘度、平台模量、损耗模量、储能模量、松弛时间等名词对应着高分子流变的各个研究点,也是描述材料特性的具体方式。但它们的具体含义、区别与联系是为初学者甚至普通研究者所模糊的。

聚合物的粘弹性(viscoelasticity)概述:聚合物浓稠溶液体系或熔体在流动过程中,不仅表现出液体所具备的粘流特性,且同时具备固体材料所具有的弹性性质,这就是聚合物粘弹性。这里需要讲述的是,万物皆流,万物皆变,粘弹性不仅是聚合物的特性,其它材料也有。只是聚合物的粘弹性刚巧处于我们人类观测时间的最佳范围。因此,更与我们息息相关。

粘(黏)度篇(Viscosity):复粘度(Complex viscosity)、剪切粘度(Shear viscosity)、拉伸粘度(Tensile viscosity) VS 熔融指数(Melt index)

1.1 高分子粘度

首先,需要明确这里涉及高分子的浓稠体系粘度均是广义粘度,原因很简单聚合物具有显著的粘弹性,无论是单一粘度或是单一弹性来描述其运动特性均是与实际不符的。

e.g 1. 牛顿粘性定律

但为了简单,很多时候都要明知不可为而为之,将牛顿粘性定律用于计算聚合物粘度,同时这个假粘度也起名称为复粘度,顾名思义它是粘性与弹性的复合。在牛顿摩擦定律重,粘度描述了:材料的应力与形变速率梯度之间的关系。粘度越大,同样的流动速率梯度就会产生更大的摩擦力,即材料变得更加难以流动。

1.2 剪切粘度、复粘度

剪切粘度是材料在剪切流变仪下测试的粘度,也就是复粘度。图1中展示的是聚丙烯熔体在180 °C下的剪切粘度,其中黑色线条是粘度项。剪切粘度最大的特点(难点)是它不是一个定值,简单的说材料的粘度除了和材料有关还与材料受到的剪切速率,剪切应力,形变大小有关。就如同图中展示,随着剪切速率的升高,材料的粘度开始变小。

Fig 1. 材料的剪切粘度/复粘度曲线。图片来源于本人的科学研究成果,转载需与作者联系。

剪切粘度是流变中最基础的内容,但依旧相当复杂。细心的朋友可以发现黑色的粘度曲线既包含三角形的散点,也包括线性的曲线。其中散点是流变仪测试过程提供的数据点,而黑色曲线是利用广义Maxwell模型计算的结果。这一条粘度曲线需要相当丰厚的学术基础,且需要计算机计算才能得到。如此,才能完整得到材料的剪切粘度。这种描述材料粘度的方式对于实际生成显然是不可取的,我们不能要求生产者或是操作员理解粘度曲线及其内在含义。但实际现实又需要让一线生产者有直观的对材料粘度的感受,熔融指数这一概念便得到了普及。

1.3 熔流指数

熔流指数,全称熔液流动指数,或熔体流动指数。熔融指数,是一种表示塑胶材料加工时的流动性的数值。它是美国量测标准协会(ASTM)根据美



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