2003 IKE 20-0

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PIKE-icon-IKE-20-50 Read document   塑膠物語: 高分子流變學

Principle  │ Introduction  │ Advanced  │
 polymer, rheology; shear stress; strain;  elastisity; application
PlasTerm.Figure   ..林師沛•周彥豪
 
聚合物流變學 (polymer rheology ) 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應用﹐使傳統的彈性力學和黏性理論已不能完全表徵它們的特性。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、加工和應用的需要﹐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
主要有宏觀與微觀兩種﹕宏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數﹐研究材料的性能是從建立黏彈模型出發﹐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,提出材料結構與宏觀流變行為的聯 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(同軸圓筒黏度計、目尼 (Moony) 黏度計、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
以黏度的倒數表示流動性。按作用方式的不同﹐流動可分為剪切流動和拉伸流動﹐相應地有剪切黏度和拉伸黏度。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(或黏度)就不同。對於聚合物熔體﹐大多數是屬於假塑性液體﹐其剪切黏度隨剪切應力的增加而降低﹐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)等因素對剪切黏度-剪切應力曲線的移動方向均有影響 (見下圖 聚合物熔體的剪切黏度-剪切應力曲線 )。


對於拉伸黏度﹐當應變速率很低時﹐單向拉伸的拉伸黏度約為剪切黏度的 3倍﹐而雙向相等的拉伸﹐其拉伸黏度約為剪切黏度的6倍。拉伸黏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切黏度的小。因此﹐在大的應力作用下﹐拉伸黏度往往要比剪切黏度大一二個數量級﹐這可使化學纖維紡絲過程更為容易和穩定。  


彈性
由於聚合物流體流動時﹐伴隨有高彈形變的產生和貯存﹐故外力除去後會發生回縮等現象﹐例如﹕塑料、橡膠擠出後和纖維紡絲後會發生斷面尺寸增大而長度縮短的離模膨脹現象﹐或稱彈性記憶效應﹔攪動時流體會沿杆上昇﹐這種爬杆現象稱韋森堡效應或法向應力效應。此外﹐聚合物加工時﹐半成品或成品表面不光滑﹐出現“橘子皮”和“ 鯊魚皮”﹐出現波浪、竹節、直徑有規律的脈動、螺旋形畸變甚至支離破碎等影響製品質量的熔體破裂和不穩定流動等現象﹐這些現象主要與熔體彈性有關。


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


應用
研究聚合物流變學的意義在於﹕
  • 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。
  • 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。
  • 對設計加工機械和模具有指導作用。例如﹕應用流變學知識所建立的聚合物在單螺杆中熔化的數學模型﹐可預測單螺杆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.)  

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  更新期別: 2003IKE20-0. Date: 2003/11/25.
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