Chemistry 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Chemistry
标  题: 聚合物流变学(科普）
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Aug 29 22:29:17 2003)

研究聚合物流动和变形的科学，是介于力学、化学和工程科学之间的边缘科学，是现代

流变学的重要分支。研究聚合物流变学对聚合物的合成、加工、加工机械和模具的设计

等均具有重要意义。流变学是在20世纪20年代随着土木建筑工程、机械、化学工业的发

展需要而形成的。一些新材料的开发和应用，使传统的弹性力学和粘性理论已不能完全

表征它们的特性。1928年，美国物理化学家E.C.宾汉把对非牛顿流体的研究正式命名为

流变学,并倡议成立流变学会,创刊了《流变学杂志》。此后，流变学逐渐为世界各国所

承认并得到发展。聚合物流变学是随高分子材料的合成、加工和应用的需要，于50年代

发展起来的。在聚合物的聚合阶段，流变学与化学结合在一起；而在以后的阶段，主要

是与聚合物加工相结合。聚合物流变学70年代发展较快，在1984年第九届国际流变学会

议上总结了最近的研究成果，B.米纳等主编了《流变学进展》一书。
    研究方法  主要有宏观与微观两种：宏观法即经典的唯象研究方法，是将聚合物看

作由连续质点组成，材料性能是位置的连续函数，研究材料的性能是从建立粘弹模型出

发,进行应力-应变或应变速率分析。微观法即分子流变学方法，是从分子运动的角度出

发，对材料的力学行为和分子运动过程进行相互关联，提出材料结构与宏观流变行为的

联系。两种方法结合起来的研究，常取得较好效果。但它们都离不开实验室流变性能的

测定。常用的仪器主要有：挤出式流变仪（毛细管流变仪、熔体指数仪）、转动式流变

仪（同轴圆筒粘度计、门尼粘度计、锥板式流变仪）、压缩式塑性计、振荡式流变仪、

转矩流变仪以及拉伸流变仪等。

    影响聚合物加工的主要流变性能  主要有聚合物的流动性、弹性和断裂特性。

    流动性  以粘度的倒数表示流动性。按作用方式的不同,流动可分为剪切流动和拉伸

流动,相应地有剪切粘度和拉伸粘度。前者为切应力与切变速率之比；后者为拉伸应力与

拉伸应变速度之比。聚合物的结构不同，流动性（或粘度）就不同。对于聚合物熔体，

大多数是属于假塑性液体,其剪切粘度随剪切应力的增加而降低,同时测试条件（温度、

压力）、分子参数（分子量及其分布、支化度等）和添加剂(填料、增塑剂、润滑剂等)

等因素对剪切粘度-剪切应力曲线的移动方向均有影响。对于拉伸粘度，当应变速率很低

时，单向拉伸的拉伸粘度约为剪切粘度的 3倍，而双向相等的拉伸，其拉伸粘度约为剪

切粘度的6倍。拉伸粘度随拉伸应力增大而增大,即使在某些情况下有所下降，其下降的

幅度远较剪切粘度的小。因此，在大的应力作用下，拉伸粘度往往要比剪切粘度大一二

个数量级，这可使化学纤维纺丝过程更为容易和稳定。

    弹性  由于聚合物流体流动时，伴随有高弹形变的产生和贮存，故外力除去后会发

生回缩等现象,例如:塑料、橡胶挤出后和纤维纺丝后会发生断面尺寸增大而长度缩短的

离模膨胀现象，或称弹性记忆效应；搅动时流体会沿杆上升，这种爬杆现象称韦森堡效

应或法向应力效应。此外，聚合物加工时，半成品或成品表面不光滑，出现“橘子皮”

和“鲨鱼皮”，出现波浪、竹节、直径有规律的脉动、螺旋形畸变甚至支离破碎等影响

制品质量的熔体破裂和不稳定流动等现象，这些现象主要与熔体弹性有关。

    断裂特性  是影响聚合物（尤其是橡胶）加工的又一流变特性。它主要是指生胶的

扯断伸长率、以及弹性与塑性之比。扯断伸长率与弹塑比要适当地配合，一般都希望两

者均大些为好，以便有利于炼胶等工艺的顺利进行。

    应用  研究聚合物流变学的意义在于：①可指导聚合，以制得加工性能优良的聚合

物。例如：合成所需分子参数的吹塑用高密度聚乙烯树脂，则所成型的中空制品的冲击

强度高，壁厚均匀，外表光滑；增加顺丁橡胶的长支链支化和提高其分子量，可改善它

的抗冷流性能，避免生胶贮存与运输的麻烦。②对评定聚合物的加工性能、分析加工过

程、正确选择加工工艺条件、指导配方设计均有重要意义。例如：通过控制冷却水温及

其与喷丝孔之间的距离，可解决聚丙烯单丝的不圆度问题；研究顺丁橡胶的流动性，发

现它对温度比较敏感，故需严格地控制加工温度。③对设计加工机械和模具有指导作用

。例如：应用流变学知识所建立的聚合物在单螺杆中熔化的数学模型，可预测单螺杆塑

化挤出机的熔化能力；依据聚合物的流变数据，指导口模的设计，以便挤出光滑的制品

和有效地控制制品的尺寸。

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