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高分子工程 学基础 高分子工程学基础
Polymer Engineering
授课教师:范星河教授
化学学院高分子科学与工程系
化学楼B505室
:62751726
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高分子工程 学基础
5年研究生阶段
创新创业
实验技术转
化工业产品
高分子工程
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高分子工程 学基础
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高分子工程 学基础
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高分子工程 学基础
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高分子工程 学基础 高分子工程学基础
核心
实验室研究成果可重复实现用于半工业化
和工业化制备
与实验室研究成果相关的实验数据可重复性
实验室研究成果工程化与实验室研究成果之间有
巨大差别
实验室研究成果是在“理想状态”下实现的;工程化过程
是在“非理想状态” 、存在多变量下操作
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高分子工程 学基础
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高分子工程 学基础
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高分子工程 学基础
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高分子工程 学基础 课程学习要求
遵守课堂纪律,不得无故旷课,有事请假
主动参与教学过程,包括讲课内容、课后阅读、
专题讨论和完成习题
不能做本课程无关内容事,以免影响别人,会影
响自己成绩
尽快完成本课程选课系统确认
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高分子工程 学基础 本课程要求与考核
本课程总成绩包括平时成绩和期末专题报告成绩两部分
平时成绩:60分
出勤、 学习态度等
课堂小答题
期末专题报告成绩:40分 (报告内容10-15分钟)
综合成绩:平时成绩 + 专题报告成绩
研究生选修课程
平时要求与考核要求
祝取得好成绩^!^
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高分子工程 学基础
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高分子工程 学基础
理科研究与工科研究区别
做菜:锅子就是个反应器,煎炒烹炸蒸煮熬就是不同的反应、精馏、
萃取等等的过程……
理科生研究怎么搭配“食材”
工科生研究如何使开小锅菜和大锅菜保持一样的味道--高分
子工程
理科专业的要通过实验往更小处去研究:即研究食材与食材之间
是怎么发生反应的;发生了什么反应才会这么好吃;什么食材搭配
什么食材才会好吃;多少A食材搭配多少B食材才最好吃…………总
之,理科专业的要研究的是“为什么(Why)”
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高分子工程 学基础
工科专业的是要研究这次做的是这个味道,如何下次能做出
一模一样的味道;这次做了一份,下次如何做两份甚至三
份五份还能保持同样的味道;这次在家里的厨房做出的这个味
道,下次换了别家的厨房甚至饭店的厨房如何做出同样的味道,
这次做的够一家三口吃的,下次招待50个人500个人时如何能够
保持同样的味道…………简言之,工科专业要研究的是“怎么
办(How)”
理科与工科的区别
理科:研究物与物之间的联系
工科:研究如何把理科的实验室研究成果转化
为实际生产成果
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高分子工程 学基础
如何从小锅菜做到大锅菜的时候风味不变?
理科专业是基础,要先知道食材与食材之间的关系,食材与佐料
(添加剂)之间的关系,才能更好地做到小锅菜变大锅菜,一份菜
变50份200份菜,而保持风味大致不变;
工科专业是在理科专业基础上放大过程,不可能具有100%的效
果,收率、转化率、反应速率、传热效率总是会打折的,这也就是
为什么食堂的小炒好吃,而大锅菜始终不可能那么好吃
要提高这些效率,就需要计算。工科专业不仅仅需要化学基础,更
重要的是数学能力和物理知识,从某种意义来说,工科专
业对数学、物理的要求甚至高于对化学的要求,这就是为什么化工
专业高等数学、大学物理学分都是最高的
现代理科专业(高分子)也要研究、了解如何生产,如应用化学;
现代工科专业也会研究“为什么”,主要研究反应和传递过程中的
原理
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高分子工程 学基础
高分子工程不是“做菜”那么简单
高分子工程的最终目的是做企业,是要开办化工厂赚钱的,会做菜
仅仅是有了生产专利,更重要的是通过做菜这门手
艺达到开餐馆甚至大饭店来赚钱的目的
不仅仅是把菜做得量大、好吃,而是首先选好锅具、灶具,然后设
计好厨房,这才只是化工企业的产品生产车间,还有防火设施,
食材采购,厨余回收,食品安全,质量控制等等,然后把饭店开起
来,把菜卖出去
高分子工程专业要学化工设计、化工生产、化工安全、资源循环、
化工贸易等等,这都是本专业要学习的
所谓“工程”,就是一个系统、一个体系,把
各种互相独立的步骤结合起来,发挥其最大的
效能
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高分子工程 学基础
高分子聚合物(树脂)
热塑性树脂
热固性树脂
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高分子工程 学基础
科学技术是生产力,是创造社会财富、推动社会进步的
源泉与动力
科学研究:基础研究—科学院-自由研究
技术研究:应用研究-工程系统—工程院-社会需求
经济效益是检验技术的唯一标准
从实验室到工业化的聚合物制品:规模化、经济效益
中试放大实验是实验室成果走向工业化生产的一个必须
步骤
其危险程度远高于在实验室中操作的实验,一般而言,
如果没有丰富实际经验者,不能独立承担此项实验
如苯乙烯聚合成聚苯乙烯
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高分子工程 学基础
本课程传授如何把实验室研究的聚合物转化成工业化
聚合物化学品过程的一个系统“工程”知识
聚合物化学产品:研究聚合物化学品结构的精确定制(高
分子化学)
高分子?聚合物?大分子?高分子材料?区别与
联系
Polymer? Macromolecules?
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高分子工程 学基础
聚合物产品具有复杂的多层次结构, 其中分子结构和分子
的聚集态结构是决定聚合物性能的最主要结构层次(高分
子物理)
聚合过程很大程度上决定聚合物的分子结构和聚集态结构
聚合机理和聚动力学是研究的基础(高分子化学)
建立聚合过程模型化方法和操控聚合过程(高分子工程)
计算机程序化,实现聚合产物分子结构的精确定制, 制备
全新的高性能或特殊性能的聚合物(高分子工程)
聚合物成型加工及规模化、设备、自动化—聚合物化学产
品(高分子工程)
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高分子工程 学基础
化学家:聚合物的合成原理与合成路线及聚会机理等
高分子工程工作者:聚合反应工程;聚合物成型加工工程
模型化与系统集成,以物能利用最大化为目标,进行化学
品制造过程及其装备的设计与优化,形成过程工程所特有的
以物料衡算、能量衡算和无因次准数等为代表的系统化思维、
集成化关联的半经验设计、放大原理与方法
以传递过程原理、聚合反应工程理论等为基础的基于物料
流场、浓度场和温度场定量描述的数模放大原理及方法
科学地“归纳”出一套较完整的理论体系与方法,进而在
这一理论与方法的指导下快速地“演绎”, 指导开发出大量、
丰富多彩的专用聚合物化学品及制品
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高分子工程 学基础
Key steps in the production of polymeric materials
聚合反应工程 聚合物树脂 高分子化学与物理、聚
合物流变学
实验室产品
量化制备
量化样品
性能不同
于实验室
小样性能
高分子工程---聚合物树脂规模化制备
机理
动力学
高分子化学与物理
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高分子工程 学基础 高分子工程---工程控制
大型聚合釜内的聚合反应
聚合反应过程模拟与控制
(聚合反应器设计与放大)
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高分子工程 学基础 聚合反应过程控制
目的:工业化制备过程中聚合反应过
程模拟、调控生产过程、控制产品性能
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高分子工程 学基础
聚合物树脂
聚合物成型加工
工业规模制备
聚合物流变学
熔融体流变学
浓溶液流变学
高分子物理
实验室规模制备
三传一反
混合与聚合反应机理、动力学
反应器设计与放大
过程模拟与控制
聚合物制品-材料
聚合反应工程
高分子工程概貌
高分子化学
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高分子工程 学基础
聚合反应工程:材料(反应物)和反应器两个层次的
介尺度问题为对象
希望通过对这两个层次上的各种介尺度问题的研究,
归纳共性规律,探索介尺度科学,并解决工程技术难
题
物质转化过程涉及三个层次
材料、反应器和系统:分别对应物质转化技术研发的
不同阶段
即工艺创新、过程设备和系统集成
聚合反应工程
高分子工程
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高分子工程 学基础
具有非线性、非平衡的复杂性,成为认知的难点
这些难点在工程实践中分别表现为
工艺创新中无法定量调控材料或表界面的结构
过程设备放大中无法预测反应器规模放大效应
系统集成优化中难以平衡多因素的影响以取得最小能耗、
最大效益和最小环境污染的目标
解决这三个介尺度问题并实现它们之间的跨层次关联是能
源转化、资源利用和环境保护领域的共同挑战,将会推动物
质转化相关领域的重大突破
现代化学、材料、化工和过程系统工程科学的前沿
高分子工程追求的“产品工程” 的实现,依赖这
三个介尺度问题的突破(聚合反应工程与成型加工)
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高分子工程 学基础
上述三个科学问题,是当前高分子工程碰到的挑战性问
题,也是物质转化工艺研发、过程和设备放大、系统设
计优化的瓶颈
一旦有所突破,将极大地推动高分子工程由经验探索
向虚拟过程过渡,缩短研发周期,有效提高物质转化过
程的效率和水平,推动高分子工程进入以信息化为特征
的时代,对人类解决能源、资源和环境问题作出巨大贡
献
成型加工类似
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高分子工程 学基础
高分子材料成型加工技术
加工成型不是单纯的物理过程,在成型过程中,
聚合物受温度、压强、应力及作用时间等变化因素
的影响,导致高分子发生降解、交联以及其他化学
反应,改变聚合物的聚集态结构和化学结构
决定高分子材料制品的外观形状和质量,影响高
分子材料最终的结构和性能,使之具有更好的性能
和使用价值,提高相关产品的生产效率,降低企业
的经营成本
一般来讲,除胶粘剂、涂料无需加工就可以直接
使用外,橡胶、纤维、塑料等常用的高分子材料都
需要采用成型加工技术
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高分子工程 学基础
高分子材料成型加工的工艺和技术
挤出成型技术
一种通过作用于模具本身的成型方式,将物料从模具内挤出,并在
受热塑化的同时利用螺杆操纵推出,在机头的作用下将物料制成不
同截面的成品或者半成品,一般可分为加料、压缩、熔融以及定压
成型等不同的阶段
可连续生产、效率高且操作简单,在塑料加工中应用较为普遍,
适用范围较广
吹塑成型技术
制作各种中空制品,借助于气体压力使闭合在模具中的热熔型坯受
热软化并使得吹胀面紧贴于模具内壁,冷却后就可以得到相应的成
品模型
具有设备造价较低,适应性较强,可成型性能好的特点,
一般来讲,吹塑方法会受原料、加工要求以及制造成本的影响
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高分子工程 学基础
注塑成型技术
是一种注射兼模塑的成型方法。可在一定的温度条件下将螺杆搅拌均
匀,并将熔融的塑料材料高压注入模具,冷却固化后就可以获得高分
子材料的合成成品
具有生产速度快、效率高,可自动化操作与生产等特点
可对成品花色品种、形状繁简及尺寸大小进行调节,保证制作成
品尺寸精确
注塑成型技术更新换代速度快,经常用于大规模生产以及形状复
杂产品的成型加工中
微孔泡沫塑料注射成型技术不需要使用额外的化学发泡剂,也不
需用使用以烃基为原料的发泡剂和物理催化剂,
微孔大小均匀
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高分子工程 学基础
压延成型技术
将熔融塑化的热塑性塑料在多个平行异向旋转辊筒间隙进行挤压、
延展和拉伸,以达到产品所要求的尺寸规格和质量要求的成型工
艺,常用于塑料薄膜或片材的生产与加工中
激光成型技术
结合计算机辅助设计、计算机辅助制造、数控车床、激光、精密
伺服驱动和新材料等技术优势,实现制造工艺与制造原型几何形
状关系的脱离,加工周期短、制造费用大幅降低,在很大程度上
节约了生产成本,是一种综合性能很强的制造技术
激光烧结技术
建立在CAD 基础上产生的一种新型加工技术,可以直接将聚酞
胺粉末加工为发动机零件、内饰件等等,生产仪表盘、进气歧管、
车灯外科、仪表板等
汽车企业获取到更为全面的数据,及时排除故障
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高分子工程 学基础
高分子材料成型加工技术的发展趋势
朝着高度集成化、高度精密化方向发展,在很大程度上提高了
高分子材料制品的性能,推动了我国工业产业的发展和国民经
济的进步
大量新型高分子材料加工技术诞生,如聚合物动态塑化成型加
工工艺、热塑性弹性体动态全硫化制备技术以及信息存储光盘
盘基直接合成反应成型技术等
高分子材料的应用已经渗透到国民经济的各个领域,
其加工成型技术的研究和发展对高分子材料的发展
和应用具有重大的意义
高度集成化、高度精密化的发展方向标志着高分子
材料成型加工技术的不断发展和进步
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高分子工程 学基础
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高分子工程 学基础
课程主要设想和思路
除了教授一些具体知识以外,一个重要的目的是要研
究生从书本转到真实的研究工作
从工科角度出发指导理科研究生科研工作
理想状态与宏观(实际)状态的区别
实际的研究工作大部分都是一些看起来非常小的事情,
一滴水能映出大海狂澜
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高分子工程 学基础 高分子工程所处位置
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高分子工程 学基础
高分子或聚合物
科学 技术
高分子化学
高分子物理
聚合反应工程
聚合物成型加工
高分子工程
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高分子工程 学基础 新时期--高分子分子设计
传统的研究方法
高分子材料的合成
性能与结构研究
加工方法和技术开发
寻找应用场合
高分子分子设计
确定使用场合
要求的使用性能
分子结构的设计
合成条件与方法研究
高分子材料的合成
高分子分子设计基础
理论化学、理论物理、近代高分子化学、近代高分
子物理等学科的发展
现代分析仪器及技术的发展
计算机技术和高分子科学数据库的发展
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高分子工程 学基础
研究高分子化合物的合成、反应及机理,反应动力学、选择原料、确定路线、寻找催化剂、制订合成工艺等
研究高分子的结构与性能的
关系,为设计合成预定性能
的聚合物提供理论指导,是
沟通合成与应用的桥梁
研究聚合物的聚合反应工程和加工成型的原理与工艺
数学
物理学
工程学
其它
化学
其它
学科
生命
科学
电子学
高分子
科学
高分子工程研究内容
在加工成型中,可以形成分子链的取向和织态结构
(高分子的共混态),从而改变高聚物的原有性能
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高分子工程 学基础
本课程学习目的
培养对高分子科学技术兴趣
了解科学技术研究的思路和方法:实验室到工业化
充分发挥高分子材料应有的性能:聚合方式与成型加工方式
为研究开发新型高分子材料及高分子材料的改性打下基础
高分子工程基础:聚合反应工程、聚合物成型加工
聚合反应动力学
聚合物流变学
聚合釜设计与放大
过程模拟与控制
聚合物流变学
成型加工原理与工艺
过程模拟与控制
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高分子工程 学基础
热塑性树脂的主要成型方法
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高分子工程 学基础
热固性塑料树脂的主要成型方法
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高分子工程 学基础 RIM工艺生产流程
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高分子工程 学基础
遵循“实践—理论—实践”的认识过程,分别采
用归纳法和演绎法,即从众多实验事实概括到一
般, 再从一般推理到个别的思维过程
综合应用微观与宏观的研究方法,主要有:热力
学方法、统计力学方法和量子力学方法
高分子工程基础研究方法
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高分子工程 学基础
高分子工程
特构流体
微电子
运输、能源
环境应用
陶瓷高分子
应用化学
生物化学
生物医学
数学 计算机科学
电子工程
机械工程
土木工程 生物
化学
材料科学
物理
现代高分子工程-分子科学地位
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高分子工程 学基础
高分子科学技术
高分子化学
研究聚合反应和高分子化学反应原理,
选择原料、确定路线、寻找催化剂、
制订合成工艺等
研究聚合物的结构与性能的关系,为设
计合成预定性能的聚合物提供理论指导,
是沟通合成与应用的桥梁
高分子物理
高分子工程 聚合反应工程;研究聚合物加工成型
的原理与工艺
高分子工程科学既是一门应用学科,也是一门基础学科,它是建立在有
机化学、物理化学、生物化学、物理学和力学等学科的基础上逐渐发展
而成的一门新兴学科
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高分子工程 学基础
高分子科学与工程
的三个基础性分支学科
高分子化学
(分子结构设计与合成)
高分子物理
(结构与性能关系研究)
高分子工程
(聚合反应工程和高分子成型加工)
功能高分子材料与技术
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高分子工程 学基础
高分子工程研究方向
在聚合物加工成型领域,研究在外场(力、温度
等)作用下,高分子的链运动及可能发生的化学反应,
熔体(或浓溶液)和聚集态的结构及相态的变化规律和
控制形成,从而发展聚合物成型的新方法和新技术
在聚合反应工程领域,研究高分子聚合物工业规
模中的尺寸放大效应,工艺特点,专用设备,从而开发
工业合成的新技术
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高分子工程 学基础 高分子成型领域
描述加工过程中聚合物熔体流动情况的流变学研究。如采取拉伸、控制
液体流动方向等手段来控制高分子链在产品中取向的研究
聚合物成型过程中形态、结构控制研究。如共混聚合物在加工过程中形
成微纤化自增强结构研究;单一聚合物或共混聚合物在加工过程中形成
微晶(或纳米晶)自增强、自增韧结构研究;螺杆挤出、注塑过程中采
取拉伸、控制液体流动方向等手段来控制高分子链在产品中取向的研究。
反应加工技术研究。如在螺杆内进行单体的本体聚合,聚合后原位挤出
成型,从而制备高分子量聚合物产品的技术;将聚合物在螺杆内,熔体
情况下进行化学反应改性,而后挤出成制品的聚合物改性技术;对难熔
聚合物采用螺杆内单体预聚,而后挤出、注塑,制品成型后进一步完成
聚合的技术
聚合物加工新工艺、新设备研究。如气辅注塑技术;气辅吹塑技术;纳
米纤维成纤技术;超声波、磨盘、微波、辐射等物理场、力学场加工技
术;振动剪切聚合物加工新原理和新设备研究等
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高分子工程 学基础 聚合反应工程领域
主要研究工作是:探讨适用于不同聚合反应及体系的专用设备,特殊
工艺及聚合反应动力学研究及放大技术等
聚合过程效能的最大化
高粘及非均相聚合动力学
高粘、粘弹、非均相聚合物系的流动、混合、传质与传热
聚合反应器热、质传递的强化与反应器的放大
聚合过程的建模、仿真、优化与先进控制策略
聚合物产品结构可控化
新颖高选择性催化剂及其相应的定向配位聚合、活性自由基聚合
多相多组分聚合物合金、聚合物纳米复合材料的原位聚合与反应挤出
新技术
聚合物结构的在线检测与控制技术
聚合物微纳结构与原生凝聚态结构的调控新原理、新方法
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高分子工程 学基础
聚合过程和产品绿色化
绿色介质中的聚合反应
无溶剂的本体与熔体(聚合)反应
催化剂的载体化与气相聚合过程
生物可降解高分子的材料化与产业化
功能聚合物材料实用化
聚合物及其杂化材料的设计、合成、结构与功能关系
聚合物膜、聚合物纳米颗粒与纳米胶囊及其在生物医药
的应用
聚合物吸附材料、聚合物絮凝剂及其在脱硫、捕碳和水
处理中的应用
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高分子工程 学基础
开 发 研 究
开发基础
研究 模型试验 中间试验
概念设计 基础设计
评价
评价
工程设计与建设
工业装置试生产
中断开发 中断开发
基础研究
过程研究
技术经济评价
工程研究
科研成果
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高分子工程 学基础
高分子流变学基础
在聚合物生产过程中常需处理聚合物的浓溶液、熔体、
或高固体物含量的悬浮液等非牛顿流体,其流动、传热、
传质等特性与牛顿流体有很大差异
流变参数是关联搅拌功率、混合特性、给热系数等的重
要化工基础数据。主要介绍非牛顿流体的分类、流变特
性、在圆管中的层流及湍流流动分析、及测定流变特性
的方法
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高分子工程 学基础
高分子流变学
具有不同拓扑结构高分子链在不同形状体内(受限空
间)的流变学是完全不同
穿过柱状纳米小孔
高分子链拓扑结构:分子参数(线性、多嵌段、超支化、
梳型、星型、环型聚合物等)
纳米小孔的尺寸、形状与高分子过孔临界流量
高分子聚集结构间快速转变等
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高分子工程 学基础
良溶剂条件下
高分子单链平均场理论
自由状态下高分子单链
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高分子工程 学基础
受限状态下高分子单链
高分子单链平均场理论