流变学复习题.docx
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流变学复习题
1定义下列术语:
1)层流与湍流,2)横向速度梯度与纵向速度梯度,3)切粘度与拉伸粘度,4)库爱特流动(拖曳流动)与泊肃叶流动(压力流动),5)牛顿流体与非牛顿流体,6)宾汉塑性流体、假塑性流体和膨胀性流体,7)表观粘度a、零切变速率粘度0和极限粘度:
:
,8)熔融指数Ml,9)挤出胀大比。
2分别以线性坐标和双对数坐标画出牛顿流体、宾汉流体、假塑性流体和膨胀性流体的流
动曲线(即._•和log.」og•曲线)以及它们的a_■曲线。
★3已经测得某高聚物熔体的流动曲线如题6-3图所示,求:
1)0和:
-;2)=10-1,1,
4812
10,
10,10时的a和非牛顿指数n。
4为什么许多高聚物熔体都呈切力变稀的流动特性?
5画出假塑性流体在圆管中流动(泊肃叶流动)时截面上各点的流速分布和速度梯度(切变速率)分布。
★6如果某种塑料熔体在模腔中流动的速度分布如题6-6图所示,将会导致塑料制品中取向
题6—7图
★7浇口在底部的注射成型薄壁塑料杯很容易以如题6-7图所示的方式开裂,试分析其原因。
8测定熔体切粘度的常用方法有哪些?
各方法适用于什么粘度范围和切变速率范围?
写出各方法中实测的量和计算切粘度的公式。
★9测得某高聚物熔体的熔融指数为0.4。
已知熔融指数仪的活塞截面积为1cmt测试中所用
毛细管的长度为1cm,直径为0.1cm;设熔体密度为约1gcm3。
试计算该熔体在流过毛细管时管壁处的切变速率r、切应力.r以及该熔体的表观粘度a(忽略各种校正)。
当砝码重量改为21.6公斤时,测得这种高聚物熔体的熔融指数为8,问该高聚物熔体是牛顿流体还是非牛顿流
体。
★10试述聚合物分子量对流动活化能和熔体切粘度的影响。
流动活化能与熔体切粘度的温度
敏感性之间有什么关系?
如何求聚合物的流动活化能。
11试从自由体积理论推导出WLF方程logaT二
_17.44T■Tg
5「6T一Tg
12橡胶、纤维、塑料三大合成材料对分子量的要求有什么不同?
就塑料而言,对注塑级、挤出级和吹塑级(中空制品)的分子量有什么不同要求?
★13试根据所学的高分子流变学基本知识,分析减少注塑制品中弹性成分的措施。
★14在塑料挤出成型中,如发现制品出现竹节形、鲨鱼皮一类缺陷,在工艺上应采取什么措施消除这类缺陷。
15注射成型中,高聚物熔体经历的是否是纯剪切流动?
为什么?
16挤出胀大比与挤出工艺条件和口模长径比有什么关系?
聚合物的流变性习题
1•什么是假塑性流体?
绝大多数聚合物熔体和浓溶液在通常条件下为什么均呈现假塑性流
体的性质?
试用缠结理论加以解释。
答:
(1)流动指数n<1的流体称为假塑性流体;
(2)略
2.聚合物的粘性流动有何特点?
为什么?
3.为什么聚合物的粘流活化能与分子量无关?
答:
根据自由体积理论,高分子的流动不是简单的整个分子的迁移,而是通过链段的相继跃
迁来实现的。
形象的说,这种流动的类似于蚯蚓的蠕动。
因而其流动活化能与分子的长短无
随碳数的增加而增加,
但当碳数大于30时,不再增大,因此聚合物超过一定数值后,L.与相对分子质量无关。
4.讨论聚合物的分子量和分子量分布对熔体粘度和流变性的影响。
时,
答:
低切变速率下,当:
讥'也时,略依赖于聚合物化学结构和温度,当
与聚合物化学结构,分子量分布及温度无关;增大切变速率,链缠结结构破坏程度增加,分
子量对体系粘度影响减小。
聚合物熔体非牛顿流动时的切变速率随分子量加大向低切变速率移动,剪切引起的粘度下降,分子量低的试样也比分子量高的试样小一些。
分子量相同时分子量分布宽的聚合物熔体
出现非牛顿流动的切变速率比分布窄的要低的多。
5.从结构观点分析温度、切变速率对聚合物熔体粘度的影响规律,举例说明这一规律在成型
加工中的应用。
答:
a.温度升高,粘度下降,在较高温度的情况下,聚合物熔体内自由体积相当大,流动粘
度的大小主要取决于高分子链本身的结构,即链段跃迁运动的能力,一般分子链越刚硬,或
分子间作用力越大,则流动活化能越高,这类聚合物是温敏性的;当温度处于一定范围即Tg b.柔性链高分子表观粘度随切变速率增加而明显下降,刚性链高分子表观粘度也随且变速 率增加而下降,但降幅较小,因为切变速率增加,柔性链易改变构象,即通过链段运动破坏 原有缠结,降低流动阻力,刚性链链段较长,构象改变较困难,随切变阻力增加,阻力变化不大。 6.解释下列名词、概念: (1)牛顿流体和非牛顿流体; 牛顿流体: 流动行为符合牛顿流动定律的流体;非牛顿流体: 流动行为不符合牛顿流动定律的流体。 (2)切粘度和拉伸粘度; 切粘度: 等于单位速度梯度时单位面积上所受到的切应力,其值放映了液体分子间由于相互 作用而产生的流动阻力即内摩擦力的大小,单位为帕秒(Pas)。 拉伸粘度: 等于单位速度梯度时单位面积上所受到的拉伸应力。 (3)真实粘度和表观粘度; 真实粘度: 单位速度梯度时单位面积上所受到的切应力。 表观粘度: 在粘性流动中,流体具有剪切速率依赖性时的剪切应力与剪切速率之比值。 (4)非牛顿指数和稠度系数; 非牛顿指数: n=•,对切变速率非牛顿的校正。 稠度系数: 描述非牛顿流体流动行为可用下述幕律方程其中K为稠度系数。 (5)不稳定流动与熔体破裂。 不稳定流动与熔体破裂: 聚合物熔体在挤出时,如果切应力超过一极限值时,熔体往往会出 现不稳定流动,挤出物外表不再是光滑的,最后导致不规则的挤出物断裂,称为熔体破裂。 7.为什么涤纶采用熔融纺丝方法,而腈纶却用湿法纺丝? 答: 由于聚丙烯腈的熔点很高(318C),分解温度(220C)低于熔点,所以不能用熔融纺丝。 由于聚对苯二甲酸乙二酯的熔点为260~270C,低于分解温度(约为350C),可用熔 融纺丝。 8.某一聚苯乙烯试样,已知160C时粘度为1e3Pa-s,试估算Tg(100C)时及120C时的粘度。 答: Tg(100C)时为一匚-…? Pa-s,120C时为二一j.1? Pa-s。 9.一种聚合物在加工中劣化,其重均分子量从1e6下降到8e5.问加工前后的熔融粘度之比 是多少? 答: 2.14 10.用毛细管流变仪挤出顺丁橡胶试样,不同柱塞速度v条件下,得到载荷下的数值如下: V(mm/min)0.6262060200 F(mm/min)2067.83332460658316918.87781.2 已知柱塞直径dp=0.9525cm,毛细管直径D=0.127cm,毛细管长径比L/D=4,忽略入口校正,试作出熔体的tw-「“,曲线和na-h曲线。 答: 略。 聚合物流变学复习题 一、名词解释(任选5小题,每小题2分,共10分): 1.熔体破裂: 聚合物熔体在高剪切速率时,液体中的扰动难以抑制并易发展成不稳定 流动,引起液流破坏的现象。 挤出胀大: 对粘弹性聚合物熔体流出管口时,液流直径增大膨胀的现象。 2.熔融指数: 在标准熔融指数仪中,先将聚合物加热到一定温度,使其完全熔融,然 后在一定负荷下将它在固定直径、固定长度的毛细管中挤出,以十分钟内挤出的聚 合物的质量克数为该聚合物的熔融指数。 3.非牛顿流体: 凡不服从牛顿粘性定律的流体。 牛顿流体: 服从牛顿粘性定律的流体。 4.假塑性流体: 流动很慢时,剪切粘度保持为常数,而随剪切速率或剪切应力的增大,粘度反常地减少——剪切变稀的流体。 膨胀性流体: 剪切速率超过某一个临界值后,剪切粘度随剪切速率增大而增大,呈 剪切变稠效应,流体表观体积”略有膨胀的的流体。 5.粘流活化能: 在流动过程中,流动单元(即链段)用于克服位垒,由原位置跃迁到附近空穴”所需的最小能量。 6.极限粘度: : : 假塑性流体在第二牛顿区所对应的粘度(即在切变速率很高时对应的粘度)。 7.拉伸流动: 当粘弹性聚合物熔体从任何形式的管道中流出并受外力拉伸时产生的收敛流动。 或拉伸流动: 质点速度仅沿流动方向发生变化的流动。 剪切流动: 质点速度仅沿着与流动方向垂直的方向发生变化的流动。 8.法向分量: 作用力的方向与作用面垂直即称为应力的法向分量。 剪切分量: 作用力的方向与作用面平行即称为应力的剪切分量。 9.粘流态: 是指高分子材料处于流动温度(Tf)和分解温度(Td)之间的一种凝聚态。 10.宾汉流体: 在流动前存在一个剪切屈服应力cry只有当外界施加的应力超过屈服 应力才开始流动的流体。 11.稳定流动: 流动状态不随时间而变化的流动。 12.零切黏度: 剪切速率趋向于零时的熔体黏度,即流动曲线的初始斜率。 13.非牛顿性指数: 幕律公式二s二Kn中的n是表征流体偏离牛顿流动的程度的指数,称为非牛顿指数。 14.表观粘度: 与牛顿粘度定义相类比,将非牛顿流体的粘度定义为剪切应力与剪切速 率之比,其值称为表观粘度,即a=: ;s()/J 15.出口膨胀与颈缩: 二、简答题(可任选答8题,每题5分,共40分): 1、简述聚合物流变行为的特征是什么? 2、何为粘弹性? 为什么聚合物具有明显的粘弹性? 举例介绍塑料制品应用和塑料加工中的粘弹性现象? 3、简述线性弹性变形的特点。 4、聚合物的粘性流动有何特点? 为什么? 5、试述温度和剪切速率对聚合物剪切粘度的影响。 并讨论不同柔性的聚合物的剪切粘度对温度和剪切速率的依赖性差异。 6、试述影响聚合物粘流温度的结构因素。 7、对聚合物熔体的粘性流动曲线划分区域,并说明区域名称及对应的粘度名称,解释 区域内现象的产生原因。 8、为什么实际橡胶弹性中带粘性,高聚物粘性熔体又带弹性? 列举它们的具体表现形式。 如何减少橡胶的粘性? 在挤出成型中如何减小成型制品中的弹性成分? 9、对聚合物熔体的粘性流动曲线划分区域,并标明区域名称及对应的粘度名称,解释 区域内现象的产生原因。 10、熔融指数与相对分子质量有什么关系? 简述之。 11、简述聚合物熔体和溶液的普适流动曲线,说明耳。 和n°的含义并以分子链缠 结的观点给以解释。 12、为什么高聚物的流动活化能与相对分子质量无关? 13、举例说明和区分以下的聚合物熔体的流动类型: 1)层流和湍流;2)稳定与不稳定流动;3)剪切流动与拉伸流动;4)压力流动与拖曳流动。 14、何为不稳定流动? 聚烯烃熔体不稳定流动的类型有哪些? 举例说明提高流动稳定性的措施。 15、解释聚合物熔体离模膨胀原因,简述影响因素。 16、简述影响熔体破裂的因素。 试分析塑料熔体在注射充模流动过程中产生熔体破裂的原因及对制品质量的影响。 17、高聚物熔体产生弹性效应的本质是什么? 18、高聚物熔体弹性效应有哪些表现? 它们对高聚物制品的性能各有什么影响? 19、何为挤出胀大现象? 举例说明减少胀大比的措施。 20、简述物料在压延机辊简间隙的压力分布。 21、简述物料在压延辊筒间隙的流速分布。 22、简述物料在压延中的粘弹效应。 23、简述压延机的压延效应及其产生的原因。 24、简述熔体在挤出机均化段的流动形式。 25、试述实行稳定挤出过程的一些流变学考虑。 三、选择题(在下列各小题的备选答案中,请把你认为正确答案的题号填入题干的括号内。 每题1.5分,共15分) 1. 下列三类物质中具有粘弹性的是: A.硬固的塑料B.硫化橡胶 (D) C.聚合物流体 D.以上三者均有 2. 大多数聚合物流体属于: (D) A.膨胀性流体(t=k>1) B. 膨胀性流体( t=k,丫n<1) C.假塑性流体(t=k,丫n>1) D. 假塑性流体( t=kyn<1) 3. 能有效改善聚甲醛的加工流动性的方法有 : (C) A.增大分子量B.升高加工温度C.提高挤出机的螺杆转速 4.下列方法中可以提高聚合物材料的拉伸强度的是: (B) C.加入增塑剂 D.与橡胶共混 C.提高分子量 D.加入增塑剂 (C) C.乌氏粘度计 D.落球粘度计 A. C、高相对分子质量加聚物 提高支化程度B.提高结晶度 5.下列方法中可以降低熔点的是: (D) A.主链上引入芳杂环B.降低结晶度 6.下列方法中不能测定聚合物熔体粘度的是: A.毛细管粘度计B.旋转粘度计 7.3.4次方幕律适用于(C)。 A、缩聚物B低相对分子质量加聚物 8.高聚物为假塑性流体,其粘度随剪切速率的增加而(B)。 A、增加B、减少C、不变 9.下列材料哪种更易从模头挤出(A)o A、假塑性材料B、胀塑性材料C、牛顿流体 10.在设计制造外径为5cm管材的模头时,应选择哪种内径的模头(A)o A、小于5cmB、5cmC、大于5cm 11.聚合物挤出成型时,产生熔体破裂的原因是(A)o A、熔体弹性应变回复不均匀B熔体粘度过小C大分子链取向程度低 12. 以下哪种现象可用聚合物存在链段运动来解释(B)o C、聚合物熔体粘度很大 20.同一种聚合物的三种不同熔体粘度,其大小顺序为: (C)>(B)>(A) (A)无穷剪切粘度;(B)表观粘度;(C)零切粘度 21.剪切粘度随剪切速率的增大而减小的流体属于: (A) (A)假塑性流体;(B)胀塑性流体;(C)宾汉流体 22.在聚合物的粘流温度以上,描述表观粘度与温度之间关系的方程式是: () (A)Arrhenius(阿伦尼乌斯)方程;(B)WLF方程;(C)Avrami方程 23.处在粘流态的聚合物,能够运动的单元有: () (A)链节;(B)侧基;(C)链段;(D)整个分子;(E)支链 24.假塑性流体的熔体粘度随剪切应力的增大而: (B) (A)增大;(B)减小;(C)不变 25.聚合物的粘流活化能越大,则其熔体粘度: (B) (A)越大;(B)对温度越敏感;(C)对剪切速率越敏感 26.高聚物为假塑性流体,其粘度随剪切速率的增加而(B)。 A、增加B、减少 27.聚合物挤出成型时,产生熔体破裂的原因是(A)o A、熔体弹性应变回复不均匀B熔体粘度过小 28.PVC中时,Tg和Tf均向低温方向移动(C)o A、填充剂B稳定剂 29.以下哪个因素增加时,Tg增加(B)o A、增塑剂含量增加B、交联度增加 30.聚合物熔体的爬杆效应是因为(B)o A、普弹形变B、高弹形变 31.有Tf的高聚物是(C)o A、PTFEB、UHMWPE 32.指数方程中,在非牛顿性指数( A、n=1B、n>1 33.对于假塑性流体,随着剪切速率的增加,其表观粘度(C)o A、先增后降B、增加C减少 四、填空题(每空1分,共20分) 1.对于相同分子量,不同分子量分布的聚合物流体,在低剪切速率下,分子量分布宽 的粘度高,在高剪切速率下,分子量分布窄的粘度高。 2.假塑性流体的粘度随应变速率的增大而减小,用幕律方程表示时,n小于 1o 3.聚合物熔体的弹性响应包括有―熔体的可回复形变,—包轴效应,不 稳定流动、无管虹吸效应与挤出胀大效应等。 4.聚合物流体一般属于(假塑性流体),粘度随着剪切速率的增大而(减小),用 幕律方程表示时,则n小于1(大于、小于、等于)。 5.通常假塑型流体的表观粘度小于(大于、小于、等于)其真实粘度。 6.聚合物相对分子质量越大,则熔体粘度越大;对相同相对分子质量的聚合物而 言,相对分子质量分布越宽,则熔体的零切粘度越大。 7.PVC与HDPE相比,其Tg较高、柔顺性较差、ct较大、流动性较差。 8.理想弹性体的应力取决于应变,理想粘性体的应力取决于应变速度。 9.大多数聚合物熔体属假塑性流体,其n值为<1,表明它们具有剪切变稀 特性。 五、判断题(每题1分,共15分) 1.溶液的粘度随温度的升高而下降,高分子溶液的特性粘数在不良溶剂中随温度升高而升 高。 (V) 2.ty曲线上任一点上切线的斜率dTd丫定义为该点的表现粘度。 (X) 3.高聚物熔体的剪切粘度在牛顿区都相等。 (V) 4.大多数聚合物熔体在任何条件下都是假塑性的,不符合牛顿定律。 (X 5.分子构造对性能十分重要,短支化链可降低结晶度,长支化链则会改善材料的流动性能。 (X 6.聚合物在橡胶态时的运动单元是链段。 (V) 1.了解"连续介质模型”的内容,清楚分子与质点的区别。 2.掌握内力和应力的概念及二者的联系。 3.何谓一点处的应力? 用什么物理量表征? 掌握该物理量在直角坐标系中的数学表示式及 各分量的含义。 对于给定微元体,能够标出各个应力分量。 4.掌握应变张量和应变速率张量在直角坐标系中的数学表达式及各分量的含义。 对于给定 的流场,要求能够写出相应的应变速率、应力张量。 5.为什么固体的变形可以用应变来描述,而流体的变形则需要用应变速率来描述? 6.连续性方程、运动方程和能量方程分别与物理学中哪三个定律相对应? 要求掌握连续性 方程在直角坐标系下的数学表示式以及运动方程和能量方程的矢量微分式子。 7.掌握连续性方程、运动方程和能量方程的物理意义,请写出特殊情况下(稳定流场或不 可压缩流体)各个方程的矢量微分式子。 8.自然界中的流动主要分哪几类? 其流动曲线各有何特点? 对于每一种流体,各试举出两 个例子,其中多数聚合物熔体属于哪一类流体? 9.掌握牛顿流体和幕律流体的流变状态方程,清楚其中各个流变学量的物理意义。 10.能够运用三大基础方程和流变状态方程求解简单的流动问题。 11.名词解释: 内力、应力、应变、应变速率、牛顿流体、非牛顿流体、假塑性流体、胀塑 性流体。 12在宽广的剪切速率范围内,聚合物流体的剪切应力与剪切速率之间的关系会出现什么样 的变化? 13温度、压力和时间如何影响热塑性聚合物熔体的流动性? 聚合物熔体在剪切流动过程有哪些弹性表现形式? 在塑料成型过程中可采取哪些措施以减少弹性表现对制品质量的不良影响 14一种聚合物熔体在3MPa压力作用下通过直径2mm长8mm的等截面圆形管道时测得的体积流率为0.054cm3/s,若该聚合物熔体的流变行为同于牛顿型流体,求管壁处的最大剪切应力,剪切速率和牛顿粘度 15一种聚合物熔体在1MPa压力作用通过直径2mm长8mm的等截面圆形管道时测得的 体积流率为0.05cm3/s,在温度不变的情况下以5MPa压力降测试时体积流率增大到0.5 cm3/s,试从以上测试结果分析该熔体在圆管中的流动是牛顿型还是非牛顿型。 16若上题的分析结果表明流动是非牛顿型,试建立表征这种聚合物熔体流动行为的幕律方程。 17聚合物很低的导热系数和热扩散系数对塑料成型加工有哪些不利影响? 18晶态和非晶态聚合物在加热和冷却时的不同热行为对二者的热计算有何影响? 19在塑料成型的条件下聚合物的温度、压力和比容三者之间有何关系? 如何用三者间的关 系式估算聚合物的膨胀系数和压缩系数? 20如何用实验方法得到修正范德华方程的常数3和n? 21影响传导、对流和辐射三种换热效果的主要因素各有哪些? 22牛顿对流换热系数与导热系数有什么本质上的不同? 影响牛顿对流换热系数的因素有哪 些? 23辐射换热与传导唤热相比有哪些特点? 24已知一种聚乙烯在常压下温度超过120oC后其比容v与绝对温度T有v=0.900+0.000 89T的关系,试计算这种聚乙烯常压下200oC时的密度和体积膨胀系数? 25已知一种低密度聚乙烯在常压下温度超过120oC和压力0.1Mpa时的比容、压力和温度 三者的关系可用修正的范德华状态方程表示,状态方程式的常数R=30.28N-cm3/(cm2-g•-K) 3=0.875cm3/gn=33520N/cm2,计算该温度和压力条件下的膨胀系数和压缩系数。 26大型塑料制品热处理炉隔热壁由三层材料组成,三层材料的厚度分别为20、50和240cm, 三种材料的导热系数依次为0.1、0.034和0.58W/(m-oC),已测得壁的内、外表面温度分别 为250oC和50oC,假定炉内向炉外散热是稳态传导换热所致,试求每平方米炉壁在每秒钟内散失的热量,并估算各层材料接触处的温度。
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