《聚合物流变学》课程的教学改革探讨
[摘 要]聚合物流变学是高分子材料与工程专业的一门重要专业课。根据笔者所在学校实际的情况和学生的特点,结合高分子物理、高分子成型加工原理和高分子成型加工设备等教学和实验经验,作者提出了课程改革的思路,并对现行教材的内容、结构体系与教学方法进行了初步探讨。
[关键词]聚合物;流变学;教学改革
流变学是研究材料流动与变形规律的科学。聚合物流变学是它的主要分支,
是研究聚合物流体包括溶液、熔体、悬浮液、胶乳、塑料溶胶等以及聚合物粉体的变形与流动行为的学科。目前国内的教材也比较少,这些教材在教学内容选取和讲解上都有一定的特点和针对性,如在数学方法上的在张量代数与微分、连续介质力学概念的基础上,流变测量学、典型本构方程以及分子理论等流变学核心内容,起点高、内容难,要求学生具有很牢固的数学和物理知识,对一些普通的本科院校的高分子材料专业的学生来说有一定的难度;另有一些教材则是注重流变学在塑料加工中的应用,或者是流变学方法的测试,作为专业基础课来说略显狭窄。作者以林师沛主编、国防工业出版社出版的《塑料加工流变学及其应用》[1]为主线教材,辅以徐佩弦教授编著、化学工业出版社出版的《高聚物流变学及其应用》[2],结合周持兴主编、上海交通大学出版社出版的《聚合物流变实验与应用》[3],由浅入深、由单一到复杂,较完整、系统地阐述了聚合物流变学的概念、现象、理论和实验方法等,教学内容难易得当、结构层次分明,十分适合一般高等学院高分子专业的本科生的学习。作者以“注重现象、把握实质、理论实践相结合”为教学原则,努力加强本专业学生的理论基础知识,强化重视应用能力培养和素质的提高。
一、课程内容的改革
(一)聚合物流变学的一般研究内容
聚合物流变学的研究内容一般包括三大部分,各部分的主要内容如下:
第一部分为模拟流变学(结构流变学),分为两个研究角度:(1)宏观法——即经典的唯象研究方法,将材料当作连续介质处理,用连续介质力学的数学方法进行研究。由于这种研究方法不考虑物质内部结构,因此又称为宏观流变学或唯象流变学。(2)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,提出材料微观结构与宏观流变行为的联系,也可称为分子流变学或微观流变学[4]。
高分子材料流变学第六章
141 第六章 流变测量学
1． 引言
随着高分子材料流变学的发展，流变测量的方法和仪器也日臻完善。流变测量的目的至少可归纳为三个方面：
（a） 物料的流变学表征。最基本的流变测量任务。通过测量掌握物料的流变性质与体系的组分、结构及测试条件的关系，为材料设计、配方设计、工艺设计提供基础数据，控制、达到期望的加工流动性和主要物理力学性能。
（b） 工程的流变学研究和设计。借助流变测量研究聚合反应工程，高分子加工工程及加工设备、模具设计制造中的流场及温度场分布，确定工艺参数，研究极限流动条件及其与工艺过程的关系，为实现工程优化，完成设备与模具CAD设计提供定量依据。
（c） 检验和指导流变本构方程理论的发展。流变测量的最高级任务。这种测量必须是科学的，经得起验证的。通过测量，获得材料真实的粘弹性变化规律及与材料结构参数的内在联系，检验本构方程的优劣。
由此，流变测量学首先必需担当起如下两项任务；
理论上，要建立各种边界条件下的可测量（如压力、扭矩、转速、频率、线速度、流量、温度等）与描写材料流变性质但不能直接测量的物理量（如应力、应变、应变速率、粘度、模量、法向应力差系数等）间的恰当联系，分析各种流变测量实验的科学意义，估计引入的误差。 高分子材料流变学第六章
142 实验技术上，要能够完成很宽的粘弹性变化范围内（往往跨越几个乃至十几个数量级的变化范围），针对从稀溶液到熔体等不同高分子状态的体系的粘弹性测量，并使测得的量值尽可能准确地反映体系真实的流变特性和工程的实际条件。这两项任务都是相当艰巨的。
常用的流变测量仪器可分以下几种类型。
毛细管型流变仪 根据测量原理不同又可分为恒速型（测压力）和恒压力型（测流速）两种。通常的高压毛细管流变仪多为恒速型；塑料工业中常用的熔融指数仪属恒压力型毛细管流变仪的一种。
转子型流变仪 根据转子几何构造的不同又分为锥一板型、平行板型（板—板型）、同轴圆筒型等。橡胶工业中常用的门尼粘度计可归为一种改造的转子型流变仪。
高分子材料流变学第一章
1 第一章 绪 论
1． 流变学概念
流变学——研究材料流动及变形规律的科学。
高分子材料流变学——研究高分子液体，主要指高分子熔体、高分子溶液，在流动状态下的非线性粘弹行为，以及这种行为与材料结构及其它物理、化学性质的关系。
流动→液体→粘性→耗散能量→产生永久形变→无记忆效应→
变形→固体→弹性→贮存能量→形变可以恢复→有记忆效应→
Newton’s定律→时间过程
Hooke’s定律→瞬时响应
图1-1 液体流动与固体变形的一般性对比
Newton’s流动定律 0 牛顿流体
Hooke’s弹性定律 E 虎克弹性体
实际材料往往表现出远为复杂的力学性质。如沥青、粘土、橡胶、石油、蛋清、血浆、食品、化工原材料、泥石流、地壳，尤其是形形色色高分子材料和制品，它们既能流动，又能变形；既有粘性，又有弹性；变形中会发生粘性损耗，流动时又有弹性记忆效应，粘弹性结合，流变性并存。 高分子材料流变学第一章
2 对于这类材料，仅用牛顿流动定律或虎克弹性定律已无法全面描述其复杂力学响应规律，必须发展一门新学科——流变学对其进行研究。
流变性实质——“固-液两相性”，“粘弹性”并存。
这种粘弹性不是小变形下的线性粘弹性，而是材料在大变形、长时间应力作用下呈现的非线性粘弹行为。
流动与变形又是两个紧密相关的概念。在时间长河中，万物皆流，万物皆变。流动可视为广义的变形，而变形也可视为广义的流动。两者的差别主要在于外力作用时间的长短及观察者观察时间的不同。按地质年代计算，坚硬的地壳也在流动，地质学中著名的“板块理论”揭示了亿万年来地球大陆板块的变化和运动。另一方面，如果以极快的速度瞬间打击某种液体时，甚至连水都表现了一定的“反弹性”。
1928年，美国物理化学家E.C.Bingham正式命名“流变学（rheology）”，字头取古希腊哲学家Heraclitus所说的“”，意即万物皆流。1929年成立流变学会，创办流变学报（Journal of Rheology），一般将此认为流变学诞生日。
李润明《聚合物流变学》摘选自 周持兴《聚合物流变实验与应用》
6 流变学方法在聚合物研究中的应用
6.1 测量分子量及其分布的流变学方法
分子量(MW)和分子量分布(MWD)在确定聚合物的物理性质时起了很重要的作用，因此得
到聚合物的分子量和分子量分布对聚合物工业是必不可少的。如果已知某种可测量的物理
性质对分子量的依赖性，原则上就可以通过测量这种物理性质来确定分子量。而且对分子
量的依赖性越强，确定分子量的敏感度就越高。通常所采用的确定聚合物分子量及其分布
的方法有凝胶渗透色谱法(GPC)、光散射和本征粘度法等。表6-1列出了几种常用方法对分
子量的依赖性及敏感度(Mead 1994)。虽然这些方法(如GPC)得到了广泛的应用，但是实验
中样品的准备时间和测试时间使它们不适用于在线过程控制，而且要求所测试的聚合物能
在室温下很容易地溶解于溶剂中，但是许多工业上大量应用的聚合物，如聚乙烯、聚丙烯
和含氟聚合物(聚四氟乙烯)等，在室温下可能只能部分地溶解于普通的溶剂。有时即使传
统的方法可行，这些方法的灵敏度和精度都不高，特别是对于分子量分布有高分子量尾部
的样品，而高分子量尾部对聚合物加工性能的表征有很大影响。鉴于传统方法的不足，又
由于聚合物的分子量及其分布与聚合物的粘弹性质有密切的关系，因此就有了利用聚合物
粘弹性质来确定分子量分布的流变学方法。与传统的方法相比，流变学方法可以作到快速
测量，而且不需要溶剂来溶解聚合物，因而从理论上将对任何聚合物都适用。流变学方法
的另一个优点就是对高分子量尾部的灵敏度高。
表6-1 用分子量区别线性柔性聚合物的各种方法的分子量标度
方法 对分子量的依赖性关系 对分子量的敏感度关系其它
GPC M1/2 M-1/2 排除体积 对高分子量部分不敏感
本征粘度 M0.6 M-0.4 流体体积法 对高分子量部分不敏感 光散射 M1 M0 对高分子量部分敏感
渗透压 M-1 M-2 对低分子量聚合物的数均分子量较准 零剪切粘度 M3.4 M2.4 适用于具有类似分布形状的体系
