1.6 塑料加工的流變學基礎

1.6.1 流變學的定義

什么是流變學？流變學是研究物質（材料）的流動與變形的科學。也就是研究材料的流動和變形與造成材料流變的各種因素之間的關系的一門學科。它是介于力學、化學和工程學之間的邊緣學科。

很久以來，流動與變形是屬于兩個范疇的概念。流動是液體材料的屬性，而變形是固體材料的屬性。液體流動時，表現出黏性行為，產生永久變形，形變不可恢復并耗散掉部分能量；而固體變形時表現出彈性行為，其產生的彈性形變在外力撤銷時能夠恢復，且產生形變時儲存能量，形變恢復時還原能量，材料具有彈性記憶效應。通常液體流動時遵從牛頓流動定律，稱為牛頓流體；固體變形時遵從胡克定律，稱為胡克彈性體。

牛頓流體和胡克固體是兩類性質被簡化的抽象物體，實際材料往往表現出遠為復雜的力學性質，如瀝青、黏土、石油、油墨、血漿、食品、泥石流、橡膠、塑料等，它們既能流動，又能變形；既有黏性，又有彈性；變形中會發生黏性損耗，流動時又有彈性記憶效應，黏、彈性結合，流、變性并存。對于這類材料僅用牛頓流體定律或胡克彈性定律已無法全面描述其復雜的力學響應規律，必須發展一門新學科——流變學對其進行研究。由此可見，流變學是人類對自然界深化研究和認識的產物。

從圖1-11的對比可以看出，所謂“流變性”實質就是“固-液兩相性”同存，是一種“黏彈性”表現，但這種黏彈性在大多數情況下不是簡單的線性黏彈性，而是復雜的非線性黏彈性。

1.6.2 流變學研究的對象

由于牛頓流體與變形問題已由牛頓流體力學解決，因而流變學的研究對象就是非牛頓流體。根據非牛頓流體的不同類別，又有聚合物流變學、生物流變學、食品流變學、懸浮液流變學、潤滑劑流變學、石油流變學等各科學分支。此外，還有與社會科學交叉的心理流變學等。所以，流變學研究的對象包含了許多行業，最主要的是：聚合物（高分子）、食品、石油、醫藥、油墨、涂料、懸浮體系、分散體系等。

流變學作為研究物質流動與變形的科學，其目的并不單純地看重力學行為，而是著重于物質（材料）的力學行為與結構之間的關系，并揭示結構對性能的影響，為實現分子設計提供重要的理論和實踐依據。因此，流變學本構方程是流變學的基礎，因為本構方程反映了物質（材料）的結構實質和其個性。

在流變學發展過程中，美國物理化學家賓漢（E. C. Bingham）教授作出了劃時代的貢獻。他不僅發現了一類所謂的“Bingham流體”（如，潤滑油、乳油、泥漿等）的流動規律，而且把20世紀以前積累下來的有關流變學的零碎知識進行了系統歸納，并正式命名為“流變學（Rhe-ology）”。Bingham于1928年根據古希臘哲學家赫納科尼特（Heraclitus）的名言：“萬物皆流（Everything flows）”，倡儀成立“流變學會”，并創刊了《流變學雜志》（J. of Rheology），從此以后，流變學逐漸為美、英、俄、法、德等國所承認，也就意味著現代流變學的誕生。

1.6.3 高分子液體流變學脈絡圖

高分子液體（熔體和溶液）流動時表現典型的黏彈性行為，但這種黏彈性不是普通牛頓流體和胡克彈性體的簡單加和，而屬于非線性黏彈性，非常復雜，其脈絡圖如圖1-12所示。

從上可以看出，高分子液體的流變學非常復雜，經典理論顯得蒼白無力，但是卻給高分子流變學帶來了十分有趣和豐富多彩的研究課題以及廣闊的發展空間。