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不同聚合物体系粘弹性实验研究

发布日期:2015-06-08 15:54:37
聚合物溶液属于非牛顿流体,有独特的粘弹特性,为了对聚合物溶液的流变性及粘 弹性有更加全面和系统的认识,本文通过室内实验,测量了包括聚丙烯酰胺类聚合物、 梳形聚合物、缔合型聚合物等等多种聚合物溶液的流变特性。同时研究了浓度、分子量、 聚合物类型及表面活性剂对体系粘弹性的影响。
在流变仪中测定聚合物溶液粘弹性的方法常用的主要有两大类,稳态剪切实验和动 态力学实验。稳态剪切实验是在比较宽的剪切速率范围内研究聚合物溶液的粘性和弹性 的变化,一般包括了低速下不破坏溶液结构的阶段和高速下溶液结构的破坏过程。在稳 态简单剪切流动中,剪切粘度是聚合物溶液粘性的表征,第一法向应力差是聚合物溶液 弹性的表征;动态粘弹性研究是聚合物溶液的线性粘弹性行为,是在频率不断变化的条 件下进行的,表征的是在不破坏溶液结构的条件下聚合物溶液的粘弹性。在动态测试中, 损耗模量的大小反映了粘弹流体的粘性大小,而储存模量则反映了粘弹流体的弹性大 小。
在稳态测试中,粘性是指聚合物溶液在外力作用下流动时的粘滞性,它表示聚合物 溶液流动时的内摩擦的大小。在分子链结构一定的条件下,凡是影响聚合物溶液分子链 间作用力大小的因素都将影响聚合物溶液的粘性。弹性是指聚合物溶液在外力作用下产 生高弹形变,即分子链在外力作用下取向,外力去除后分子链自发蜷曲的性质。在聚合 物溶液中,分子链间作用力的大小决定了溶液弹性的好坏。
在动态测试中,粘性是指聚合物溶液在应力作用下溶液变形过程中能量的消耗,粘 性与溶液中大分子的构象、溶剂和溶质分子的尺寸、聚合物的浓度等因素有关;而弹性 是指聚合物溶液在应力作用下溶液变形过程中能量的储存,与溶液内聚合物分子链间作 用以及形成的结构有关。
在稀溶液中高分子以无规线团状态孤立地存在于溶剂介质中。当达到某一浓度后, 高分子开始互相接触,继而发生相互覆盖,这时溶液就从稀溶液变为亚浓(semidilute) 溶液,这一浓度称为接触浓度。当浓度进一步提高,分子之间的穿越交叠达到各处链段 大致均勻的缠结网,这一浓度称为缠结浓度。达到缠结浓度后,高分子溶液就称为浓溶 液。由接触浓度和缠结浓度所区分开的三个区域的转变,并不是突然的,不过在每个丨 域中其分子间相互作用及其所决定的流变性质却各有其独特的本质。
通常研究的驱油用聚合物溶液都属于高分子浓溶液体系。浓溶液中有一个非常重要 的观念,即高分子链是相互交叉穿越的,在一个分子的平均半径的球范围内有几十个分 子链存在,而且分子量越大,交叠的程度越高,即通常所说的缠结(entanglement)现 象。缠结是长链高分子间特有的相互作用,随浓度的增高,缠结使溶液的流变性质发生 突变。实验表明,增加有些分子链的刚性程度使缠结特性表现更显著,此外分子链中的 大侧基对缠结的影响不明显。缠结的概念有助于掲示高分子溶液的特殊流变现象。