聚合物流變學
正文
研究聚合物流動和變形的科學，是介於力學、化學和工程科學之間的邊緣科學，是現代流變學的重要分支。研究聚合物流變學對聚合物的合成、加工、加工機械和模具的設計等均具有重要意義。流變學是在20世紀20年代隨著土木建築工程、機械、化學工業的發展需要而形成的。一些新材料的開發和套用，使傳統的彈性力學和粘性理論已不能完全表征它們的特性。1928年，美國物理化學家E.C.賓漢把對非牛頓流體的研究正式命名為流變學,並倡議成立流變學會,創刊了《流變學雜誌》。此後，流變學逐漸為世界各國所承認並得到發展。聚合物流變學是隨高分子材料的合成、加工和套用的需要，於50年代發展起來的。在聚合物的聚合階段，流變學與化學結合在一起；而在以後的階段，主要是與聚合物加工相結合。聚合物流變學70年代發展較快，在1984年第九屆國際流變學會議上總結了最近的研究成果，B.米納等主編了《流變學進展》一書。研究方法 主要有巨觀與微觀兩種：巨觀法即經典的唯象研究方法，是將聚合物看作由連續質點組成，材料性能是位置的連續函式，研究材料的性能是從建立粘彈模型出發,進行應力-應變或應變速率分析。微觀法即分子流變學方法，是從分子運動的角度出發，對材料的力學行為和分子運動過程進行相互關聯，提出材料結構與巨觀流變行為的聯繫。兩種方法結合起來的研究，常取得較好效果。但它們都離不開實驗室流變性能的測定。常用的儀器主要有：擠出式流變儀（毛細管流變儀、熔體指數儀）、轉動式流變儀（同軸圓筒粘度計、門尼粘度計、錐板式流變儀）、壓縮式塑性計、振盪式流變儀、轉矩流變儀以及拉伸流變儀等。
影響聚合物加工的主要流變性能 主要有聚合物的流動性、彈性和斷裂特性。
流動性 以粘度的倒數表示流動性。按作用方式的不同,流動可分為剪下流動和拉伸流動,相應地有剪下粘度和拉伸粘度。前者為切應力與切變速率之比；後者為拉伸應力與拉伸應變速度之比。聚合物的結構不同，流動性（或粘度）就不同。對於聚合物熔體，大多數是屬於假塑性液體,其剪下粘度隨剪下應力的增加而降低,同時測試條件（溫度、壓力）、分子參數（分子量及其分布、支化度等）和添加劑(填料、增塑劑、潤滑劑等)等因素對剪下粘度-剪下應力曲線的移動方向均有影響(見圖)。對於拉伸粘度，當應變速率很低時，單向拉伸的拉伸粘度約為剪下粘度的 3倍，而雙向相等的拉伸，其拉伸粘度約為剪下粘度的6倍。拉伸粘度隨拉伸應力增大而增大,即使在某些情況下有所下降，其下降的幅度遠較剪下粘度的小。因此，在大的應力作用下，拉伸粘度往往要比剪下粘度大一二個數量級，這可使化學纖維紡絲過程更為容易和穩定。
聚合物流變學斷裂特性 是影響聚合物（尤其是橡膠）加工的又一流變特性。它主要是指生膠的扯斷伸長率、以及彈性與塑性之比。扯斷伸長率與彈塑比要適當地配合，一般都希望兩者均大些為好，以便有利於煉膠等工藝的順利進行。
套用 研究聚合物流變學的意義在於：①可指導聚合，以製得加工性能優良的聚合物。例如：合成所需分子參數的吹塑用高密度聚乙烯樹脂，則所成型的中空製品的衝擊強度高，壁厚均勻，外表光滑；增加順丁橡膠的長支鏈支化和提高其分子量，可改善它的抗冷流性能，避免生膠貯存與運輸的麻煩。②對評定聚合物的加工性能、分析加工過程、正確選擇加工工藝條件、指導配方設計均有重要意義。例如：通過控制冷卻水溫及其與噴絲孔之間的距離，可解決聚丙烯單絲的不圓度問題；研究順丁橡膠的流動性，發現它對溫度比較敏感，故需嚴格地控制加工溫度。③對設計加工機械和模具有指導作用。例如：套用流變學知識所建立的聚合物在單螺桿中熔化的數學模型，可預測單螺桿塑化擠出機的熔化能力；依據聚合物的流變數據，指導口模的設計，以便擠出光滑的製品和有效地控制製品的尺寸。
參考書目
L.E.尼爾森著,范慶榮等譯：《聚合物流變學》,科學出版社,北京，1983。(L.E.Nielson,Polymer Rheology,Marcel Dekker,New York,1977.)
R.S.倫克著,宋家琪等譯：《聚合物流變學》,國防工業出版社，北京，1983。(R.S.Lenk,Polymer Rheology,Applied Science Pub.,London,1978.)
