高分子材料的流变性能研究

1 流变学在聚合物研究中的应用

概述

高分子熔体的流变行为是由其长链分子的拓扑结构决定的。当高分子主链上引入一定数量和长度的支链后，其粘弹性质与线形高分子会有明显不同。长链支化聚合物剪切条件下会表现出与线形高分子类似的应变软化，但由于支链的限制将有更长的末端松弛时间 ,并在拉伸条件下表现出与线形高分子完全不同的应变硬化松弛过程。支化对聚合物粘弹性质的影响，无论对工业界还是科学研究都是一个十分重要和基础的课题。近年来的一系列研究表明：一方面通过引入相同或相似结构单元的长支链可以明显提高聚合物的熔体强度(这对于熔融纺丝、 吹膜等熔体拉伸加工过程是十分有利的)；另一方面也可以通过含有特征官能团支链的引入对聚合物进行改性，提高其光学、 热学和力学性能。目前，随着控制聚合反应和机理研究的进一步深入，人们已能够直接得到各种具有明确拓扑结构的支化聚合物 ,如梳形[1]、 星形、 H形聚合物[2]等 ,这对支化聚合物流变学的深入研究与探索起了极大的推动作用。

与线形高分子不同 ,支化高分子熔体是热流变复杂的 ,其流变学特性主要表现在: (1)支化减小了高分子的流体力学体积 ,降低了零切粘度 ,支链松弛过程的加入使得整个高分子的末端松弛时间延长; (2)长链支化聚合物在拉伸过程中会表现出明显的应变硬化 ,并使得时 - 温叠加原理不再有效; (3)支化高分子的拓扑结构对其整个松弛过程有显著的影响 ,支化密度和支链长度存在临界值 ,超过此临界值 ,支链松弛过程将会清晰地反映在动态粘弹谱上; (4)支化聚合物流变行为的温度依赖性是复杂的 ,多数支化聚合物的流变行为比相应线形聚合物有更强的温度依赖性 ,但也有一些支化聚合物和其相应线形高分子具有同样的温度依赖性 ,如聚异丁烯。

本文简介流变学在不同聚合物研究中的应用，并对流变学的发展方向做了展望。

1、流变学在聚乙烯研究中的应用

聚乙烯基本分为三大类,即低密度聚乙烯(LDPE)!高密度聚乙烯(HDPE)和线型低密度聚乙烯(LLDPE)，三种聚乙烯分子结构见图如下

高分子材料流变学

Polymer rheology

一、课内学时：40学时；学分：2学分

二、使用专业：高分子化学与物理、材料学、材料加工工程、高分子机械设计

三、预修课程：高分子化学、高分子物理学、高分子结构与性能、高分子加工原理、场论

四、教案目的：

《高分子材料加工原理》是高分子材料与工程专业本科生的必修课，课程设置的目的是：

1．使学生对高分子材料加工过程的基本原理，主要包括高分子材料在成型加工过程中的基本流变学原理和传热学原理有比较全面的认识。结合高分子物理学、材料加工工艺学、加工机械及模具设计，理解高分子材料的流变性质、传热性能与材料的结构、性能、制品配方、加工工艺条件、加工机械及模具的设计和应用之间的关系。

2．掌握高分子材料的基本流变学性质和传热学性能；了解研究高分子材料流变性质、传热性能的基本数学、力学方法；掌握测量、研究高分子材料流变性质、传热性能的基本实验方法和手段。为进一步学习《聚合反应工程学》、《材料成型加工工艺学》、《材料成型加工机械》、《模具设计》等课程打下基础。

3．讨论典型高分子材料成型加工过程的流变学、传热学原理，讨论多相聚合物体系（复合材料）的流变性质和传热性能，为分析和改进生产工艺、指导配方设计、开发和应用高分子材料提供一定的理论基础。

本课程属一门多学科交叉，理论性与实践性均很强的新兴学科，国内目前尚无统一大纲和教材。鉴于目前介绍关于高分子材料传热性能的书籍比较混乱，本大纲暂时先拟定讲授高分子材料流变学的基本内容和要求。以后条件成熟时，再补充高分子材料传热学方面的内容。高分子流变学要求的教案时数为32学时，高分子传热学要求的教案时数为16学时，总计教案时数为48学时。

关于高分子材料流变学部分，本大纲遵循基本理论与生产实践相结合，既有一定广度，又有一定深度、新度，材料宏观性质与微观结构分析相结合，唯象性讨论与建立数学模型相结合的特点，按照少而精的原则，设置了七章二十节内容，教案时数为32学时。

高分子材料的力学性能及表征方法

用途

聚合物的力学性能是高分子聚合物在作为高分子材料使用时所要考虑的最主要性能。它牵涉到高分子新材料的材料设计，产品设计以及高分子新材料的使用条件。因此了解聚合物的力学性能数据，是我们掌握高分子材料的必要前提。

聚合物力学性能数据主要是模量（E），强度（σ），极限形变（ε）及疲劳性能（包括疲劳极限和疲劳寿命）。由于高分子材料在应用中的受力方式不同，聚合物的力学性能表征又按不同受力方式定出了拉伸（张力）、压缩、弯曲、剪切、冲击、硬度、摩擦损耗等不同受力方式下的表征方法及相应的各种模量、强度、形变等可以代表聚合物受力不同的各种数据。由于高分子材料类型的不同，实际应用及受力情况有很大的差变，因此对不同类型的高分子材料，又有各自的特殊表征方法、例纤维、橡胶的力学性能表征。

表征方法及原理

（1）拉伸性能的表征

用万能材料试验机，换上拉伸实验的样品夹具，在恒定的温度、湿度和拉伸速度下，对按一定标准制备的聚合物试样进行拉伸，直至试样被拉断。仪器可自动记录被测样品在不同拉伸时间样品的形变值和对应此形变值样品所受到的拉力（张力）值，同时自动画出应力－应变曲线。根据应力-应变曲线，我们可找出样品的屈服点及相应的屈服应力值，断裂点及相应的断裂应力值，样品的断裂伸长值。将屈服应力，断裂应力分别除以样品断裂处在初制样时样品截面积，即可分别求出该聚合物的屈服强度σ屈和拉伸强度（抗张强度）σ拉值。样品断裂伸长值除以样品原长度，即是聚合物的断裂伸长率ε。应力－应变曲线中，对应小形变的曲线中（即曲线中直线部分）的斜率，即是聚合物的拉伸模量（也称抗张模量）E值。聚合物试样拉伸断裂时，试样断面单维尺寸（厚或宽的尺寸）的变化值除以试样的断裂伸长率ε值，即为聚合物样品的“泊松比”（μ）的数值。

（2）压缩性能、弯曲性能、剪切性的表征。

用万能材料试验机，分别用压缩试验，弯曲试验，剪切试验的样品夹具，在恒定的温度、湿度及应变速度下进行不同方式的力学试验。并根据不同的计算公式，求出聚合物的压缩模量、压缩强度、弯曲模量、弯曲强度、剪切模量、剪切强度等数据。

聚合物材料中的流变性能测试分析

在聚合物材料的开发、制造和应用过程中，流变性能测试是一个重要的环节，其能够有效地评估材料的变形行为、力学性能以及应用性能。因此，了解聚合物材料中的流变性能及其测试分析方法，对于提高聚合物材料的应用性能、推动聚合物材料的研究和应用具有重要的意义。

一、聚合物材料的流变性能

聚合物材料是指一类具有高分子结构的材料，其分子量通常高于10万，这种材料的性能是由其分子结构决定的。在应用场合中，聚合物材料的性能会随着其形状、尺寸和应力状态的变化而发生变化。因此，聚合物材料的流变性能对于其应用性能的评估和控制具有重要的作用。

聚合物材料的流变性能包括了黏弹性、塑性和蠕变等性质。黏弹性是指聚合物材料在受到一定应力时的变形能力，即材料随时间的变形量。塑性是指聚合物材料在受到应力时，随着应力的增加发生的可塑性变形。蠕变是指聚合物材料在受到恒定应力时，材料随时间的收缩变形。

二、聚合物材料的流变性能测试

聚合物材料的流变性能测试是利用流变仪对聚合物材料进行测试，主要包括剪切模量、黏性、塑性和流量指数等参数的测试。其测试过程是将样品装入流变仪的测量室中，然后通过引入规定的变形应力，来测定聚合物材料在规定的应力范围和频率下的流变性能。

流变仪是一种专门用于测量材料流变性质的仪器。其主要原理是利用试样在测量室中应变或位移的变化来计算材料在不同应力下的黏弹性、塑性、蠕变等性质。流变仪可以通过调节控制板的参数，来控制样品的速度、应力、频率和温度等参数，从而实现对材料流变性质的测试和分析。 三、聚合物材料流变性能测试分析

1.剪切模量测试分析

剪切模量是衡量材料刚度和变形能力的重要参数。聚合物材料的剪切模量随着应力的增加而增加，因此，其在应用过程中往往需要具有一定的刚度和力学性能。流变仪可以通过调节控制板的参数，来测定样品在不同应力下的剪切模量。

2.黏性测试分析

黏性是衡量材料流体性质的重要参数。聚合物材料的黏性随着应力的增加而减小，因此其应用过程中不易出现黏滞和流动离散等情况。流变仪可以通过调节控制板的参数，来测定样品在不同应力下的黏性。