流變學

流變學是力學中一門較新的分支學科，它主要研究各種材料在應力、應變、溫度、濕度、輻射等條件中與時間有關的變形和流動的規律。

研究方法  主要有宏觀與微觀兩種：

    宏觀法即經典的唯象研究方法，是將聚合物看作由連續質點組成，材料性能是位置的連續函數，研究材料的性能是從建立粘彈模型出發,進行應力-應變或應變速率分析。

    微觀法即分子流變學方法，是從分子運動的角度出發，對材料的力學行為和分子運動過程進行相互關聯，提出材料結構與宏觀流變行為的聯系。(珠簧相空間理論、分子網絡理論、蛇行管理論）

領域

聚合物 – 我們需要理解熔體流動性能，從而設計模具等

食品 – 良好的外觀、質地和加工特性

涂料 – 儲存壽命和表面流平性能

墨水 – 打印清晰度和準確計量

醫藥– 正確的配方定量，沉降性能等

還有：泥漿、鉆井液、瀝青、橡膠等

非牛頓流體

流變學研究對象： 

包括非牛頓流體、粘彈性固體和流體與固體之間的物質（如懸浮體）。

對于高分子來說，絕大多數的成型加工都是熔融狀態下進行的，特別是熱塑性塑料加工。因此，高聚物在粘流溫度下的流動性和彈性，是其成型加工的首要性能。

非牛頓流體定義：凡不服從牛頓粘性定律的流體稱為非牛頓流體。

即：在一定溫度下，流體剪切應力與剪切速率不成正比的線性關系，其粘度不是常數，而是隨剪切應力或剪切速率而變化的非牛頓粘度η。

剪切形變-流變學基本定義

剪切應力（Shear stress, σ）

單位面積所受的剪切力

剪切應變（Shear strain, γ）

剪切形變除以高度

剪切（應變）速率（Shear rate, γ ）

剪切應變的快慢

剪切粘度（Shear viscosity, η）

剪切應力除以剪切速率

解釋 :

應力：單位面積上的力                      (多少)

應變：相對樣品尺寸上的變形幅度    (多大)

剪切速率：隨時間應變的變化率       (多快)

剪切粘度：在一定的條件下熔體是否容易流動  

高分子材料流動性特點

粘度大流動性差：這是因為高分子鏈的流動是通過鏈段的相繼位移來實現分子鏈的整體遷移，類似蚯蚓的蠕動。

不符合流動規律：在流動的過程中粘度隨剪切速率的增加而下降。

熔體流動時伴隨高彈形變：因為在外力作用下，高分子鏈沿著外力作用發生伸展，當外力消失后，分子鏈又由伸展變為卷曲，使形變部分恢復，表現出彈性行為。

流動性

以粘度的倒數表示流動性。按作用方式的不同,流動可分為剪切流動和拉伸流動,相應地有剪切粘度和拉伸粘度。前者為切應力與切變速率之比；后者為拉伸應力與拉伸應變速度之比。聚合物的結構不同，流動性（或粘度）就不同。對于聚合物熔體，大多數是屬于假塑性液體,其剪切粘度隨剪切應力的增加而降低,同時測試條件（溫度、壓力）、分子參數（分子量及其分布、支化度等）和添加劑(填料、增塑劑、潤滑劑等)等因素對剪切粘度-剪切應力曲線的移動方向均有影響。對于拉伸粘度，當應變速率很低時，單向拉伸的拉伸粘度約為剪切粘度的 3倍，而雙向相等的拉伸，其拉伸粘度約為剪切粘度的6倍。拉伸粘度隨拉伸應力增大而增大,即使在某些情況下有所下降，其下降的幅度遠較剪切粘度的小。因此，在大的應力作用下，拉伸粘度往往要比剪切粘度大一二個數量級，這可使化學纖維紡絲過程更為容易和穩定。

彈性

由于聚合物流體流動時，伴隨有高彈形變的產生和貯存，故外力除去后會發生回縮等現象,例如:塑料、橡膠擠出后和纖維紡絲后會發生斷面尺寸增大而長度縮短的離模膨脹現象，或稱彈性記憶效應；攪動時流體會沿桿上升，這種爬桿現象稱韋森堡效應或法向應力效應。此外，聚合物加工時，半成品或成品表面不光滑，出現“橘子皮"和“鯊魚皮"，出現波浪、竹節、直徑有規律的脈動、螺旋形畸變甚至支離破碎等影響制品質量的熔體破裂和不穩定流動等現象，這些現象主要與熔體彈性有關。

高分子熔體流動中的彈性效應 

高分子液體流動時，表現出形形色色的奇異彈性行為。

主要有擠出過程中的擠出脹大現象，不穩定流動和熔體破裂

現象，“爬桿"現象（Weissenberg效應），拉伸流動等。

高分子液體的彈性屬于熵彈性。在流動過程中，材料的粘性

行為和彈性行為交織在一起，使流變性十分復雜。研究高分

子液體的彈性規律性對高分子材料加工也十分重要。

實驗發現，幾種粘度相近、分子量分布大致相同的聚乙烯熔體，其加工行為卻有很大差異，分析得知，這些差異主要因為不同熔體的彈性行為（拉伸粘度和法向應力差）不同引起的。