“Everything Flows”

(万物皆流)

Heraclitus (赫拉克利特, 纪元前五世纪的希腊哲学家)

聚合物流变学导论

Polymer Rheology

Rheology is “ the study of the flow and deformation of all forms of matter.”

E. C. Bingham, M. ReinerApril, 29, 1929

Rheology? “Rheo”在希腊语里是流动的意思。

Rheology, a branch of mechanics, is the

study of those properties of materials

which determine their response to

mechanical force. The word rheology was

coined in the 1920‘s to represent the

science of the deformation and flow of

matter.

flow:当变形的程度随时间而连续变化时，就成为流动。

Isaac Newton(1643-1727)

流动 液体 粘性 耗散能量 产生永久变形 无记忆效应 Newton’s 定律 时间过程

σ =η0 &γ

Robert Hooke(1635-1703)

deformation:是指施加适当的力系于物质上而使其形状或大小发生变化。

变形 固体 弹性 储存能量 形变可以恢复 有记忆效应 Hooke’s 定律 瞬时响应

σ = Eε

弹性 粘弹性 粘性

理想弹性体 理想粘性体

实际材料：沥青、黏土、橡胶、石油、蛋清、血浆、食品化工原料、泥石流、地壳、高分子材料等。

既能流动又能变形，既有粘性又有弹性，变形中会发生粘性损耗，流动时又有弹性记忆效应，粘弹性结合，流变性并存。牛顿或虎克定律已无法全面描述其复杂的力学响应关系。

1. Rheology is the science of deformation and flow, or the interrelations between the force and its resulting effects.

2. The Rheology of Polymer:

Utracki, L. A. “Polymer Alloys and Blends”

Carl Hanser, New York, 1989

Yuri, G. Yanovsky, “Polymer Rheology: Theory and Practice”Chapman & Hall, 1993

studies the behavior of viscoelastic materials under the influence of deformation

Outline of this course

1 An introduction to rheologyA general presentation of the science of rheology, its genesis

and its applications in different industrial branches. Conceptslike liquids, solids, viscosity, elasticity, and viscoelasticity will beexplained.

2 Important rheological conceptsThe most important concepts of rheology are defined: shear

stress (应力), shear rate(剪切速率),strain (应变), viscosity,elasticity and extensional viscosity (拉伸粘度）. Parametersinfluencing the magnitude of these concepts will also beintroduced.

3 Experimental rheological techniques-Visicosity and Viscometry (粘度测量法)

Fundamental and empirical rheological measurementtechniques are presented and the correspondingapplication of the measurement results in materialcharacterization is discussed.

Capillary (毛细管)Cone-plate （锥板）Couette, concentric cylinders （同轴圆筒）Plate-plate （平行板）Haake Rheomix

4 Linear viscoelasticity. (线性粘弹性)1) Concepts like stress tensor(应力张量) is introduced.2) Viscoelastic concepts such as storage modulus（储能模量）, loss modulus

（损耗模量）, complex modulus（复数模量）, phase angle（相角）,creep（蠕变）、relaxation (松弛) and complex viscosity（复数粘度） aredefined and a mathematical approach to the relation between the differentconcepts is given.

3) Rheological measurements in simple shear mode and simple mechanicalmodels like the spring and the dashpot (粘壶) are introduced to simplify theinterpretation of rheological measurement data. Viscoelastic flow modelssuch as the Maxwell and the Kelvin models are introduced. In viscoelasticity,these models are the link between theoretical and practical rheological flowand deformation behaviour.

5 Fundamentals of Dynamic Rheology (动态流变学) –Rheometry and Applications

A practical and useful guide is given, based onworked examples, to successful appliedmeasurements in viscometry, frequency sweep, strainsweep, stress sweep, creep and relaxation.The corresponding measurement results are

interpreted to relate rheological parameters tomaterial properties. Advice on appropriate measuringgeometries for different materials is given, likecone/plate, plate/plate and concentric cylinders.

6 Influence of Temperature, pressure, molecuar weight and structure on rheological behavior of polymer

7 Morphology and Rheological behavior of multiphase-multicomponent polymer - filled polymer- polymer blends

8 Drag reduction effect (减阻效应) , its applications and progress

参考教材高分子材料流变学导论，吴其晔，化学工业出版社

固体高聚物的力学性能，I.M.沃德，科学出版社

屈服、破坏、线性粘弹理论、粘弹性测量等

非牛顿流体力学及其应用，沈崇棠等，高等教育出版社

流变测量、聚合物减阻*等

高聚物流变学导论，王玉忠，郑长义，四川大学出版社

《聚合物加工理论》周持兴 等编 科学出版社

《高聚物流变学及其应用》

徐佩弦 编著 化学工业出版社

《聚合物流变学实验与应用》 周持兴，

上海交通大学出版社，2003

《高分子结构流变学》 许元泽，

四川教育出版社，1988

JOURNAL OF RHEOLOGY 2.978

http://scitation.aip.org/journals/doc/JORHD2-home/

Journal of the Society of Rheology Japan

Rheologica Acta 2.027

http://www.springerlink.com/open ... &issn=0035-4511

Journal

KOREA-AUSTRALIA RHEOLOGY JOURNAL

0.493

http://www.rheology.or.kr/karj/karj.h

tm

期刊

Applied Rheology 1.00

http://www.ar.ethz.ch/

中国血液流变学杂志

Chinese Journal of Hemorheology

期刊

Macromolecules 5.167

http://pubs.acs.org/journals/mamobx/index.html

Polymer 3.438

http://www.sciencedirect.com/science/journal/00323861

§1 An introduction to rheology

1929 形成独立学科，流变学家协会会志创刊

美国首先成立流变学学会 E.C. Binghan （物理学家）

1949.9首届国际流变学会议 荷兰 召开

1961 国际流变学学报 创刊 季刊

1963第四届国际流变学会议 Truesdell

Rational mechanics (流动和变形的理性力学)奠定了现代流变学的理论基础

§1.1  流变学的发展史

理论小形变 有限形变

线性 非线性

宏观模型 微观结构

流变学研究

宏观流变 介观、微观流变

从连续介质观点研究

从应用统计物理方法 研究

国际流变学发展概况

·聚合物熔体·聚合物溶液·计算流变学·悬浮体和胶质·泡沫·乳胶和表面活化剂

研究领域

·界面流变·微观流体和单分子·颗粒材料·固体和复合材料·非牛顿流体流变学·流变仪器和实验方法。

第15届世界流变学学术大会于2008年8月3-8日，在美国加利福尼亚蒙特里（Monterey, California）召开（http://www.rheology.org/ICR2008/）

The "XVIth Congress on Rheology" will be held August 5-10, 2012 at Lisbon, Portugal.

The rheology study in China began from 1950’.

钱人元

Renyuan QIAN

National Academician

Renyuan QIAN, Guanyi SHI, Chemical Journal, 21(1), 78~97, 1955

(in Chinese)

The relationships between Viscosity and stress rate of PMMA solution was studied.

Papers ------ the first one

中国流变学发展概况

1960’s

1961年, 袁龙蔚的《流变学概论》上海科技出版社

1962年, 江体乾在《物理学报》上发表了“关于非牛顿

流体边界层的研究”文章

1965年,中国科学院岩土力学研究所的研究人员翻译出版

了雷纳（Reiner）著的《理论流变学讲义》

奠基者和创始人

1978 北京, 制定全国力学规划时,包括流变学的发展规划，指出流变学是必须重视和加强的薄弱领域

1980’s

1980年湘潭大学，1982年华东化工学院成立流变学研究室

1985年，由北京大学陈文芳教授和湘潭大学袁龙蔚教授等人

发起成立了中国流变学专业委员会，对外称中国流变学会

1985年，在长沙召开了第一届全国流变学学术会议

1988年，我国成为国际流变学会成员国之一

会 议1985年在长沙1987年在成都1990年在上海1993年在广州1996年在北京1999年在武汉2002年在廊坊2006年9月济南2008年9月长沙2010年11月杭州2012年10月廊坊

召开了第一至第十届全国流变学学术会议

2005年8月在中国力学学术大会上设立了“流变学进展”分会场

会议主题

本构模型与本构理论

多相/多组分体系流变学

工业流变学

电-磁流变学

岩土、地质与石油流变学

食品、医药与生物流变学

聚合物及其加工流变学

180余人参会

来自67家单位

其中有6家流变仪厂商

（1）杨 卫（浙江大学）：纳米晶体的流变与断裂

（2）韩志超（中国科学院化学研究所）：Nucleation Phase Separation Under Oscillatory Shear（3） 瞿金平（华南理工大学）：基于拉伸流变的聚合

物叶片塑化输运技术研究

（4） 赵晓鹏（西北工业大学）：微纳分级结构颗粒的

电流变效应

（5） 申长雨（郑州大学）：塑料成型模型化理论及数

值模拟技术

（6） 江 雷（中国科学院化学研究所）：仿生智能界面

材料

（7） 郑 强（浙江大学）：多相多组分聚合物体系流变

学研究

由我国学者提出的具有自主知识产权的新理论成

果尚不多见

高档流变仪的开发基本上还是空白

流变计算模拟软件还停留在小作坊形式

在国际著名流变学刊物上发表的论文数量偏少

在大型国际学术活动中的身影（声音）太少

还没有主办过世界级的国际流变学学术会议

存在的差距

The International Committee on Rheology (ICR)

流变学学会和流变学研究者

Chairman of the ICR

Prof. Gerald G. Fuller

Stanford University

Research AreaComplex Fluids and Complex Fluid Interfaces

高分子熔体流变学和高分子材料加工

1991-2003年，德国流变学会主席

1996至今，担任欧洲流变学会理事

2004年，又被选为国际流变学会理事

国际著名的高分子流变学界权威

德国柏林工业大学高分子材料工程和高分子材料物理专业的终身教授，国际流变学会秘书长

Prof. Manfred H. Wagner

Secretary of the ICR

The Society of Rheology

Prof. John Douglass Ferry College of Engineering University of Wisconsin

Bingham Medal of The Society of Rheology (1953)

He is undoubtedly the most widely recognized research

pioneer in the study of motional dynamics in

macromolecular systems by viscoelastic techniques, and

thus has played a truly major role in polymer rheology.

Past president, 1962-1963

1912-2003

K. F. Wissbrun (1996-1997)

M. Mooney (1936-1939)

Past presidents

E. B. Bagley (1980-1981)

The Society of Rheology

Chris Macosko美国明尼苏达州立大学化工系教授，美国工程院院士，流变学最高奖宾汉奖获得者（2004）

multiphase polymer microstructures via process flows and chemical reaction

流变学研究者

H. Henning Winter 美国麻省大学化工系教授，流变学学报（Rheology Acta）主

编，流变学会宾汉奖章获得者（1996）

Gareth.H. McKinley 美国麻省理工大学化工系教授, 专长复杂流体力学，流变测量学

H. Watanabe 日本京都大学化工系教授, 高分子和多相体系流变学

Daniel DeKee Tulane大学化工学院副院长，前国际流变学会主席，加拿大化学工程

协会Erco奖获得者。非牛顿流体力学

A. Ya. Malkin 俄罗斯科学院院士、俄罗斯科学院石油化学合成研究所教授, 超浓缩乳

液流变学

B. Prof. L.G. Leal,《国际流体力学》杂志主编，国际流变学专业委员会驻IUTAM的

代表, 美国加利福尼亚大学化学工程系教授。

………………………….

Chinese Society of Rheology

中国流变学专业委员会

成立于1985年11月，中国

流变学专业委员会分别是中

国化学会和中国力学学会下

设的一级专业委员会

• 袁龙蔚在国际上开创了流变断裂学和缺陷体流变

学新分支学科

• 江体乾对于化工工业流变学的研究，特别是在非

牛顿流体边界层和墙滑移方面的研究较为突出

流变学研究者

现任复旦大学校长

是我国第一代高分子学博士，在高分子化学和物理等多个领

域都取得了重大成果。

1. 具有复杂拓扑链结构的高分子链构象统计与粘弹性；

2. 流变学在高分子工业的应用。发展了高分子薄膜拉伸流动

的稳定性理论，并由此指导和解决了双轴拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜生产中长期困扰产量和质量的破膜问题，为国家创造了

巨大的经济效益。

杨玉良院士

许元泽 教授

1. 复杂流体流变性质与结构的关系。对象包括高分子溶液与熔体、复合体系、液晶、交联体系、悬浮体与乳液、智能流体及纳米物质等。

2. 高分子工程与工艺的科学分析。改进聚合物纺丝，聚合物驱油，塑料加工，树脂乳化等过程。

3. 热固性高分子的研发。航天航空，微电子与工业用高性能复合材料与涂料的开发与应用。

复旦大学高分子科学系、厦门大学教授、博士生导师，前中国流变学会主任委员，曾任德国马普学会高分子研究所、加拿大舍布鲁克大学化工系、美国凯斯大学高分子系客座研究员，Ciba公司资深科学家，在高分子、流变学领域发表工作近百篇。专长复杂流体结构与性能关系及应用。

1.聚合物复杂体系多尺度结构加工流变学。

2.高分子材料加工成型计算机模拟 (CAE)。

3.聚合物反应加工与高性能高分子材料。

周持兴教授：上海交通大学化工学院教授，博士生导师，国家自然基金会化学学科评审组评委、高分子物理与化学国家重点实验室学术委员、中国力学会中国化学会流变学专业委员会委员。

郑强 教授

多相多组分聚合物流变学

聚合物流变学与聚合物功能的关联

上海交通大学 化学化工学院

教授 博士生导师

研究方向：

高分子加工 流变学

俞炜

1. 多相体系流变学：主要研究流场对多相体系介观结构演变、多重相转变等的影响，建立介观结构与流变性质的定量关系；软物质流动机理与流变行为关系的研究；界面流变行为的研究。

2. 聚合物化学流变学：主要研究在聚合物反应加工时，缠结大分子处于非平衡状态下的反应机理与反应动力学问题，以及聚合物界面反应机理和动力学问题。

3. 聚合物加工CAE：通过对各种加工过程的模拟，建立一整套聚合物加工计算机模拟方法，实现聚合物加工过程中的计算机辅助模具设计、流道优化和工艺优化。

王十庆教授

美国阿克隆大学

王十庆 教授 美国Akron大学高分子科学系教授，美国物理协会、流变协会、材料研发协会成员。1981年毕业于武汉大学物理学系，并于1987年获得芝加哥大学物理学博士学位，多年来一直从事高分子物理学基础原理和应用科学研究，包括高分子流变学基础现象和理论研究、高分子动力学（线性粘弹和扩散）研究（包括高分子熔融体、溶液、和相同物质的共混体以及不同物质的共混体）、加工行为（模口膨胀和熔体破裂）、生物降解高分子的工业应用以及填充聚合物材料（包括纳米复合材料）的增强机理研究。

刘琛阳 研究员

中科院化学所

聚合物液体动力学 聚合物复合材料流变学 流变测量学

PlasticsRubberFiberFoodstuffPersonal care products CosmeticsCementDrilling mudsRock 

MedicinesBlood (Hemorheology)muscleindustrial coatingsPaints Adhesives InksSolder pastes (焊锡)

§1.2  流变学的研究范围

Important Rheology Branches

(1) Polymer Rheology

SolutionMolten Polymers

Solution Suspensions Emulsion

• Polymer Synthesis

• Processing

PlasticsRubberComposites

• Applications

(2) Hemorheology(血液流变学)

旨在研究血液及其组分的流动和变形特性，以及这种特性对循环功能，乃至全身功能和代谢影响的科学;血液的粘弹性、触变性、红细胞的变形性和聚集性以及血小板的粘附和聚集性等等，对于循环功能，尤其是微循环，有着十分重要的作用。

心脑血管疾病

法林效应(F‐L效应 )

1931 年 ， Fahraeus 和Lindqvist发现，血液粘度随血管半径的减小而降低;

微血管范围内，血管越细，血液粘度越低，这有利于血液顺利通过微血管。

法林效应(F‐L效应 )

一种看法是血液流经较细的血管时，近管壁处易形成无红细胞的血浆层，从而降低了流动阻力

在病理情况下，红细胞变形性降低或聚集性增高，均可导致临界半径显著增大，甚至高达正常的几十倍，此时，由于多数微血管内血液粘度急骤增高，必将导致微循环的严重障碍。

法林效应的重要性

(3) Geological Rheology（地质流变学）

• 矿产的形成规律

• 工程建设选址

• 自然灾害的防止：

如山体滑坡、地震、泥石流的预防等

(４) Food Rheology（食品流变学）

（5）工程材料的破坏

通过研究建筑物在地震中受到的破坏程度和破坏方式的规律，寻找建筑物抗震及修复的方法。

• 橡胶条的拉伸与压缩

• 吹气球

• 模具内部塑料热熔体的流动

• 在墙面上涂料的垂挂性

• 轮胎橡胶接触面的回复

• 熔体纤维纺丝

• 涂料的涂装，喷塑还是涂刷

• 胶粘剂的粘合

• 甚至山脉的流动 !

按研究对象划分

● 非牛顿流体流变学● 粘弹性流变学● 高聚物流变学● 多相流变学● 含缺陷物体流变学● 石油流变学● 生物流变学

● 地质流变学● 岩土流变学● 食品流变学● 化妆品流变学● 药品流变学● 血液流变学● 电-磁流变学

按物质的流变过程划分

● 流变断裂学

● 流变冶金学

● 铸造流变学

● 材料加工流变学

按研究方法划分

● 理论流变学

● 计算流变学

● 实验流变学

按行业划分

● 工业流变学

● 农业流变学

按流变物质的尺度划分

● 宏观流变学

● 微观流变学

● 纳米流变学

● 跨尺度流变学

在日常工作中无处不在－制造和使用产品

• 原材料 ⇒ 通过加工（变形）⇒ 制品

• 产品⇒ 在外力或变形下使用 ⇒性能

• 流变学是高分子学科的基础

• 流变学是实验和实践科学

§1.3  流变学的应用

流变学使生活更有趣

• 在我们日常的生活中，通常用“软、硬、刚性、柔性、弹性、稠、薄、灵活性… …”来描述事物。流变学就是研究“软与硬”的科学。

• 流变学应用领域：化妆品、洗涤用品、牙膏、食品、陶瓷浆料、轮胎… …

• 日常生活中不自觉地用到一些“流变”实验－手感。

• 人的一生也就是随时间的变化。

通过流变测试，可以：

• 预测材料特性

• 解决加工和使用

过程中的问题

• 配方设计

• 质量控制

• 产品优化

分子结构

流变学(粘弹性性能)

可加工性与产品质量

桥梁

微观世界• 分子量与分子量分布• 支化与交联• 填料与基体材料的相互作用• 单相或多相结构

宏观世界作为以下参数的函数：

• 应变 (应变率)• 温度• 时间 (频率)

结构

分子量

分子量分布

添加剂

增塑剂等

流变学

热性能

（熔化固化特征）

超分子结构

（取向、结晶、

聚合物结构）

性能、外观

力学性能

热性能

电性能

加工 制品

树脂

流变学

研究聚合物流变特性具有特殊意义

典型流变分析图形

Log

G’,

tanδ

G’

tanδ

温度频率

低

高高

低

运动

小分子

运动

软链段

缠结

分子

运动

自由链段

运动

硬链段

微观世界 : 分子结构的尺寸、温度与时间

物质结构

空间尺度

特征时间尺度

流变时间尺度

思考题

1。请列举几位著名的高分子流变学者。

2。什么是法林效应？形成法林效应的机理是什么 ？

3。请给出热塑性聚合物在宽温度范围内的流变曲线，并加以说明。