1.2　流變學的研究對象和方法

流變學是研究材料的流動和變形的科學，因此流變學研究的對象就是材料。這里所說的材料既包括流體形態的物質，也包括固體形態的物質。以下將對物質進行流變學上的定義。

1.2.1　流變學關于物質的定義

經典力學認為，流動與變形是兩個范疇的概念，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，產生永久變形，形變不可恢復，消耗能量，表現為黏性行為。而固體受到外力作用時發生彈性變形，在外力撤銷后形變恢復，表現出彈性行為。且產生形變是儲存能量，形變恢復時還原能量，如圖1.2所示。通常液體流動時遵循牛頓流動定律，而固體形變時遵從胡克定律，其應力、應變之間的響應為瞬時響應。

但是隨著科學的發展，出現了不能用經典力學解釋的現象。例如，如果水從噴嘴高速噴出，在液滴撞到硬墻上時，變得扁平；然后液滴彈回，在彈性和表面張力的作用下立即變回球形。在這極快的形變過程中時間（t）非常短，從而Deborah數值（λ/t）非常高。所以，即便是低λ值的水，此時也表現出彈性特征。法國著名的Chartres大教堂的玻璃窗完工于600年前，其玻璃一直在“流動”。中世紀時玻璃板上、下厚度一致，但是在重力作用下，如今玻璃頂部薄如紙，而底部卻比以前厚了2倍還多！這種足夠長時間的流動過程使Deborah數值變得很小。因此可以說：只要耐心等待，盡管在室溫下具有較高λ值的固體玻璃也可以被劃入液體的范疇。不難發現，時間標尺是衡量流動與變形最重要的尺度之一。

因此流變學從時間的角度出發，對物質進行了新的定義，認為固體與液體兩者的差別主要在于外力作用時間及觀察者觀測時間的尺度不同；認為流動可以視為廣義的變形，而變形也可以視為廣義的流動。在流變學的范疇中，固體和液體沒有實質性的差別，不同之處在于它們在載荷的作用下自身所產生的響應快慢不同而已。從對物質施加應力或應變所產生的響應出發，如果對物質施加一定的應變，物質產生的應力響應時間足夠短（瞬時），那么認為該物質在既定的實驗條件下是固體；但如果對物質施加一定的應變，物質的應力響應在可觀測的時間范圍內完全松弛，那么認為在這種情況下該物質是液體。反之，從施加應力后應變響應的變化來定義物質也是一樣的，如圖1.3所示。當施加一定應力條件下，某一物質瞬間產生一個應變且達到平衡，即應變保持不變，此物質即為固體；而施加一定應力后，應變瞬間產生，但卻隨時間的發展而不斷發展，始終無法達到平衡并最終趨于無窮大，此物質為液體。

此外，介于固體和液體之間，存在具有迥異的應力、應變響應和流變行為的“軟物質”。“軟物質”這一概念由法國科學家de Gennes在1991提出，主要指觸摸起來感覺柔軟的，對于弱的外界施加于物質瞬間的或微弱的刺激，都能做出相當顯著的響應和變化的一類凝聚態物質，如圖1.2所示。實際上，材料尤其是高分子材料往往表現出非常復雜的流變性質，它們在變形中會發生黏性損耗，流動時具有彈性記憶效應。對于這類材料，僅用牛頓流動定律或胡克定律已無法準確地描述其復雜的力學響應規律，需要發展新的方法、理論來進行研究。

1.2.2　流變學的研究方法

流變學常用的研究方法主要有以下兩種。

（1）宏觀流變學

宏觀流變學也稱連續介質流變學或唯象流變學，是將材料當作連續介質處理，用連續介質力學的方法進行研究，是目前流變學研究最重要和主要的方法之一。它對物質的結構不做任何假設，研究具有不同結構的許多物質的共同形狀，力學模型建立各種物質的本構關系的數學方程，并在給定的初始條件和邊界條件下求出問題的解答。

（2）微觀流變學

微觀流變學也稱結構流變學或分子流變學，是從物質結構的角度出發，研究材料宏觀流變性質與微觀、亞微觀結構的關系。

1.2.3　聚合物流變學

流變學是一門涉及多學科交叉的邊緣科學。聚合物流變學，也稱高分子材料流變學，是現代流變學的主要分支之一，其研究對象是聚合物流體和固體。目前聚合物流變學主要研究聚合物流體（包括高分子熔體和高分子溶液）在流動狀態下的非線性黏彈行為，以及這種行為與材料結構及其他物理、化學性質的關系。聚合物流變學的研究內容與高分子物理學、高分子化學、高分子材料加工原理、高分子材料工程、連續流體力學、非線性傳熱理論等聯系密切。粗略地，可分為聚合物結構流變學、聚合物加工流變學以及實驗流變學。

（1）結構流變學

結構流變學又稱微觀流變學或分子流變學。主要研究聚合物奇異的流變性質與其微觀結構——分子鏈結構、聚集態結構之間的聯系，以期通過設計大分子流動模型，獲得正確描述聚合物復雜流變性的本構方程，建立材料宏觀流變性質與微觀結構參數之間的聯系，深刻理解聚合物流動的微觀物理本質。稀溶液的黏彈理論發展比較完備。由于Rouse-Zimm-Lodge等的貢獻，已經能夠根據分子結構參數定量預測溶液的流變性質。de Gennes和Doi-Edwards貢獻了濃體系和亞濃體系黏彈理論，將多鏈體系簡化為一條受限制的單鏈體系，提出蛇行蠕動模型。結構流變學的發展對聚合物凝聚態物理基礎理論的研究具有重要價值。

（2）加工流變學

加工流變學又稱宏觀流變學或唯象性流變學。主要研究與聚合物加工過程有關的理論與技術問題。絕大多數聚合物的成型加工都是在熔融或溶液狀態下的流變過程中完成的，眾多的成型方法為加工流變學帶來豐富的研究課題。例如：加工條件變化與材料流動性質（主要指黏度和彈性）及產品物理、力學性質之間的關系；材料流動性質與分子結構及組分結構之間的關系；異常的流變現象如擠出脹大、熔體破裂現象發生的規律、原因及克服辦法；聚合物典型加工成型操作單元（如擠出、注射、紡絲、吹塑等）過程的流變學分析；多相聚合物體系的流變性規律；模具與機械設計中的種種與材料流動性與傳熱性有關的問題等。

（3）實驗流變學

實驗流變學又稱流變測量學，主要是發展流變測量的理論與測量技術。目前已經發展出的流變測量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、錐板式流變儀）、振蕩式流變儀、轉矩流變儀、拉伸流變儀等。

人們在科學和生產實踐中認識到，聚合物成型加工時，加工力場與溫度場的作用不僅決定了材料制品的外觀形狀和質量，而且對材料分子鏈結構、超分子結構、聚集態結構的形成和變化有極其重要的影響，是決定聚合物制品最終結構和性能的因素。從這個意義來講，流變學應該成為研究聚合物結構與性能關系的核心環節之一。事實上，當前流變學設計已成為聚合物分子設計、材料設計、制品設計及模具與機械設計的重要組成部分。

研究聚合物流變學的意義：①可指導聚合，以制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，則所成型的中空制品的沖擊強度高，壁厚均勻，外表光滑；增加順丁橡膠的長支鏈支化并提高其分子量，可改善其抗冷流性能，避免生膠儲存與運輸的麻煩。②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、冷卻水與噴絲孔之間的距離，可解決聚丙烯單絲不圓的問題；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。③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桿中熔化的數學模型，可預測單螺桿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，以便擠出光滑的制品和有效地控制制品的尺寸。