粘彈性流體研究方法

隨著石油化工工業(yè)和聚合物工程的迅速發(fā)展，處理和操作粘彈性流體的工業(yè)裝置越來越多，如本體法高抗沖聚苯乙烯（HIPS）、順丁橡膠、聚酯等生產(chǎn)過程。大量資料表明，聚合反應(yīng)后期及聚合物加工過程涉及的高分子熔融體，不僅具有高粘的特性，而且許多熔融聚合物都具有粘彈性。粘彈性流體在許多方面都表現(xiàn)出和一般流體很不相同的規(guī)律。

由于粘彈性聚合物系的復(fù)雜性，其流變行為的測量和模擬均較困難，在聚合反應(yīng)器的冷模試驗(yàn)過程中，為便于工程研究，絕大多數(shù)研究者采用模擬液的方法。聚丙烯酞胺（PAM）具有明顯的彈性，且與水溶性流體具有相溶性，常將它與其他粘性流體混合用來模擬具有各種粘彈性行為的聚合物系，廣泛用作聚合反應(yīng)器傳質(zhì)、傳熱及攪拌功率等研究的模擬流體。

嚴(yán)格講，真正理想的彈性體與牛頓體是極少的，如對固體施加很大的應(yīng)力之后，也會(huì)發(fā)生變形流動(dòng)，液體在快速外力作用下也會(huì)顯示出像固體那樣的彈性。流動(dòng)性與彈性同時(shí)具備，這樣的物體就是粘彈性體。當(dāng)外力作用于粘彈性體上一部分能量消耗于內(nèi)部摩擦，以熱的形式放出；一部分作為彈性貯存。體系的形變不像彈性體那樣立即完成，而是隨時(shí)間逐漸發(fā)展，最后達(dá)到最大形變，這個(gè)過程叫做蠕變。

對于牛頓體來說，當(dāng)切力除去后，不會(huì)恢復(fù)到原來的形態(tài)，因?yàn)楫?dāng)切力施加到牛頓體上，雖然也產(chǎn)生形變，并與切力成正比，但這部分切力是作為克服內(nèi)部摩擦阻力，以熱的形式放出，并沒有貯存于體系內(nèi)。

在一物體上施加切力時(shí)，該物體就產(chǎn)生形變，形變與切力成正比，并符合虎克定律。如果除去切力，貯存于物體內(nèi)部的能量立即放出，物體立即恢復(fù)到原來的形態(tài)，這種物體就稱為彈性體。

粘彈性流體，介于黏性流體和彈性固體之間。它們同時(shí)表現(xiàn)出黏性和彈性，在不超過屈服強(qiáng)度的條件下，剪應(yīng)力除去以后，其變形能部分的復(fù)原。屬于此種流體的有面粉團(tuán)、凝固汽油和瀝青等。

粘彈性理論是固體力學(xué)的一個(gè)研究內(nèi)容。它在考慮材料的彈性性質(zhì)和粘性性質(zhì)的基礎(chǔ)上，研究材料內(nèi)部應(yīng)力和應(yīng)變的分布規(guī)律以及它們和外力之間關(guān)系。材料的粘性性質(zhì)主要表現(xiàn)為材料中的應(yīng)力和應(yīng)變率有關(guān)。粘彈性地基模型是在彈性地基模型基礎(chǔ)上加入了粘彈性元件（阻尼器或粘壺）。對于粘性元件( 阻尼器或粘壺) 它代表牛頓流體，服從牛頓內(nèi)摩擦定律。地基的粘彈性性質(zhì)，可采用粘彈性模型理論來描述，粘彈性模型可以由離散的彈性元件(彈簧)和粘彈性元件 (阻尼器或粘壺) 按不同的連接方式組合而成 。

粘彈性模型的本構(gòu)關(guān)系可分為兩部分：其一是球應(yīng)力分量下的本構(gòu)關(guān)系；其二是應(yīng)力偏量下的本構(gòu)關(guān)系。有些研究者認(rèn)為剪切變形（由應(yīng)力偏量引起）和體積變形（由球應(yīng)力引起）可以具有相同的流變規(guī)律，也可以具有不同的流變規(guī)律，甚至認(rèn)為球應(yīng)力不引起粘性變形。顯然，為了合理地考察工程材料在荷載作用下的粘性變形狀態(tài)，有必要分別對應(yīng)力偏量和球應(yīng)力進(jìn)行考察。當(dāng)假設(shè)剪切變形和體積變形具有相同的流變規(guī)律時(shí)，應(yīng)力偏量下的粘性系數(shù)和球應(yīng)力下的粘性系數(shù)之間存在何種關(guān)系。

注：粘彈性使塑料同時(shí)具有類似固體的特性，如彈性，強(qiáng)度，因次穩(wěn)定性，和類似液體的特性如隨時(shí)間，溫度，負(fù)荷大小和速率而變化的流動(dòng)特性。

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黏彈性- 材料不僅具有彈性，而且具有摩擦。當(dāng)應(yīng)力被移除后，一部分功被用于摩擦效應(yīng)而被轉(zhuǎn)化成熱能，這一過程可用應(yīng)力應(yīng)變曲線表示。

許多固態(tài)新物質(zhì)、新材料的力學(xué)特性超出了彈性的范疇，這樣使得粘彈性理論的出現(xiàn)和發(fā)展成為必然。同時(shí)具有彈性和粘性兩種不同機(jī)理的形變，綜合地體現(xiàn)為粘性流體和彈性固體兩者的特性的材料稱為粘彈性體。粘彈性體材料受力后的變形過程是一個(gè)隨時(shí)間變化的過程，卸載后的恢復(fù)過程又是一個(gè)延遲過程，因此粘彈性體內(nèi)的應(yīng)力不僅與當(dāng)時(shí)的應(yīng)變有關(guān)，而且與應(yīng)變的全部變化歷史有關(guān)。這時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變間的一一對應(yīng)關(guān)系已不復(fù)存在。常見的粘彈性體如高分子材料、筑路與建筑材料、高溫下的金屬等。

在很多情況下，例如在室溫條件下鋼的變形，時(shí)間因素的影響是很小的，以致可以忽略不計(jì)，彈性理論和彈塑性理論能夠合理地使用。然而在另外一些情況下，時(shí)間效應(yīng)卻是重要的，例如在高溫環(huán)境中的金屬材料，可以在較低的應(yīng)力下屈服，隨著時(shí)間的流逝它能積累很大的變形。對于巖石，相對于地質(zhì)時(shí)間尺度的地殼運(yùn)動(dòng)來說，它的流變性質(zhì)也是不能忽略的。在這些情況下，在變形過程的分析中考慮時(shí)間因素是完全必要的。