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流变学基础及应用

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    • 1、流变学基础及应用,S,MZ,HU,HH,Welcome,使用牙膏时挤出要容易,挤出后要求挺括,在牙刷上不能下陷,刷牙时又要轻松,这就是要求牙膏遇剪切时粘度迅速下降,而静止时又要具备一定的屈服应力,以保持坚挺。,牙膏一个典型的流变学问题,提 纲,I. 流变学基础 1流变学定义及发展历史 2. 粘度计及流变仪简介 3. 稳态流变学 4. 动态流变学 4.1 弹性行为及剪切模量 4.2 粘弹性行为 4.3 蠕变测试 4.4 弛豫测试 4.5 振荡测试 II. Physica MCR300流变仪简介 III. Physica MCR300流变仪应用演示,I. 流变学基础,The person in the picture: Thomas G. Mezger, Rheologist of Anton-Paar,1 流变学及其发展历史, 什么是流变学? 流变学:研究物质流动和变形的科学 Rheology = the science of deformation and flow of matter (Society Of Rheology, SOR),希腊语: rheos = to flow,流动

      2、,流 动 行 为,www.physica.de,变 形 行 为,古代 “万物皆流” 1676 虎克定律:弹性固体(形变与受力成正比) 1687 牛顿定律:粘性液体(流动阻力与流动速度成正比) 1905 爱因斯坦:悬浮液粘度方程(h = hs(1+2.5f)) 1920 宾汉(Bingham)提出“流变学”概念 1945 首台旋转粘度计面世(Brookfield) 1951 首台旋转流变仪Rheogoniometer(Weissenberg) 自1970年开始,流动曲线测试代替以前的单点测试 自1980年开始,大规模使用数控和计算机,流变学得到较大发展, 流变学的发展历史, 中国的流变学,“我国流变学的应用研究起步较晚,20世纪60年代还只有个别自发研究,目前的应用研究领域较少,甚至连流变学赖以发展的聚合物加工行业也知之不多。以塑料制品为例,塑料厂引进的模具吃进口的聚合物粒子时,制品光滑、美观,可以和国外的同类产品相媲美,而一旦换成国产原料粒子时,产品质量就下降。这是因为所使用的模具是按国外原料的流变性能设计的,而国产原料的流变性与进口原料并不完全相同,所以制品质量下降。尽管生产厂对模具

      3、进行完善修改,但也只是凭经验做机械上的改动,并未考虑到粒子的流变性。” 江体乾, 流变学的研究内容, 流变学的研究范围及方法,物质状态,性能表现,依据原理,研究方法,稳态流变学,动态流变学,Simple Test Methods,铲刀试验(trowel test) - 高粘流体:“稠” - 低粘流体:“稀”,手指试验(finger test) - 粘稠:“长” - 稀薄:“短”,2 流变行为的研究工具粘度计及流变仪,定性!, 简单测试,Bostwick稠度计(Consistometer),1 sample container, max. 100 ml 2 gate, to be opened by a spring 3 scaled flow path,测定流体(如番茄酱等)在一定时间内流过的长度,schematic presentation of a BOSTWICK-constistometer, 粘度计,Falling-Ball Viscometers,DIN 53015 ISO 12058,measuring tube including the ball,stand,ther

      4、mometer,jacket, for temp. control, 落球粘度计,HAAKE,GENEQ,e.g. for pastes and paste-like printing inks,weight,printing ink,falling rod,falling rod viscometer (Laray),Falling-Rod Viscometers, 落杆粘度计,according to ASTM D803 and D1545,check mark,Gas bubble rises after turning the tube. Viscosity evaluation by comparison to a set of tubes, 气泡粘度计,Bubble Viscometers,Water-Clock (Klepsdra) for time measurements since 3500 years in Egypt e.g. 5 l corresponds to 6 min flow time, 流杯,Flow Cups,measurement of the

      5、flow time determination of the kinematic viscosity, 流杯,Flow Cups,ISO DIN Ford (ASTM) Zahn Engler Shell,DIN ISO, 流杯,Capillary Viscometers, 玻璃毛细管粘度计, Stormer 粘度计,Preset: constant torque (shear stress) applied by a free falling weight (in grams) Result: rotational speed of the measuring system,Krebs measuring system (“Paddle“) as a relative measuring system designation in Krebs Units, KU, Brookfield 粘度计,spindles as relative measuring systems: cylinders disks pins T-bar, 旋转流变仪绝对测量系统,圆筒状转子(Cylinder)

      6、not recommended for pastes (air bubbles),锥板转子(Cone-Plate) with dispersions only useful for particles under 5m,平行板(Parallel-plates) useful for gels and pastes,旋转及振荡流变仪(rotational and oscillatory rheometers) according to DIN 53019 and ISO 3219, HAAKE旋转流变仪,HAAKE Exten CaBer1,HAAKE RheoScope,HAAKE RheoStress1,HAAKE RheoStress600,HAAKE RotoVisco1, TA旋转流变仪,AR500,AR1000,AR2000,ARES,ARES-1s,ARES-rda,ARES-rfs, Bohlin旋转流变仪,BohlinCVO,BohlinC-VOR,BohlinGemini,BohlinV88, Physica旋转流变仪,RheolabMC1,SmartPave,MCR

      7、300、500,MCR301、501,ACS16/32, 毛细管流变仪,Poiseuille-Hagen定律,毛细管流变学的基础!,DP,2R, 毛细管流变仪,HAAKE RheoCap S20,HAAKE RheoCap T1000,RH7D & RH10D,RH2100/2200, 毛细管流变仪的功能,在聚合物工业中,无论旋转流变仪还是毛细管流变仪,其作用都是: 模仿聚合物加工过程中的流动和变形行为!,log /s-1,DMA Osc. / Rot. rheometer,High pressure capillary rheometer,Viscosities: (low-), middle- to high-viscous Quantities: Shear- and extensional viscosity, wall slip relaxation, PVT, Flow instabilities,10-1,10-3,Levelling,104,101,Extrusion, Injection Moulding,100,102,Mixing,103,106,Roll Coa

      8、ting, Spraying,Viscosities: low viscous to solid-like Quantities: Shear viscosity, yield, viscoelastic properties, relaxation etc.,Non-destructive Oscillarory shear,rot. rheometer: structural/low shear measurements high-pressure capillary: processing flow behaviour,., 聚合物加工过程对应的剪切速率,3 稳态流变学流动行为,基本概念:剪切应力、剪切速率、粘度 牛顿流体的流动行为 非牛顿流体(剪切依赖型)的流动行为:剪切稀释、剪切增稠、屈服值 时间依赖型:触变性、震凝性 温度依赖型,Shear stress,Shear rate, 剪切应力及剪切速率,剪切应力,单位面积所受的作用力,剪切速率,1,s,s,1,m,s,m,h,v,D,-,=,=,=,=,g,),(,&,Strain,应变,单位长度的伸长,constant,m,m

      9、,h,v,=,=,g,=,dg,dt,单位时间的应变,也称为“剪切梯度”、“速度梯度”、“应变率”、“变形率”),Typical Shear Rate Ranges,Application: Sedimentation of Dispersions,in the beginning,herbs in salad dressing,after 15min,Application: Levelling and Sagging of a Coating,200 m,0.5 m/s,Calculation of the shear rate,Application: Coating, Painting, Brushing,Application: Automotive Coatings,a) Plastisols: seam sealing, under body spraying, cavity conservation b) Primer c) Coatings: filler, base coat, top coat, clear coat,Application: Offset Printing Inks,ink container,plate cylinder,rubber cylinder,rubber cylinder,1 ductor 2 film roller 3 transfer roller 4 rubber 5 cylinder to apply the paint 6 7 clammy ductor 8 clammy rubber 9,paper web,(剪切)粘度((shear) viscosity): 1 Pas = 1000 mPas 1 MPas = 1000 kPas = 1 Mio. Pas 以前所用

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