[科普中国]-流变曲线

流体的剪切应力与剪切速率之间的变异关系用图形表示则称为流变曲线。

特点塑性流体是流变曲线中的一种，其特点是剪切应力小于某一数值τ时，就不能流动，大于τ后才开始流动；假塑性流体也是流变曲线一种，其流动特点是一旦施加外力就能流动，其粘度随着剪切速率的增加而减小，流动曲线为通过坐标原点凸向剪切应力轴的曲线；牛顿流体在流变曲线上，剪切应力与剪切速率间关系为一通过原点的直线关系；膨胀性流体也是流变曲线中的另一种类型，其特点是一加外力就能流动，粘度随着剪切速率增加而增大，流动曲线为通过坐标原点凹向剪切应力轴的曲线。

化学性质假塑性分析屈服——塑性是指流体在较小外力作用下，不发生流动，只产生有限的弹性变形，只有当外力大于某值时，流体才发生流动，使流体发生流动时对应的剪切应力称之为屈服应力。

触变性分析触变性表述这样的现象：物体经长时间高剪切从高粘凝胶态变为粘度低得多的溶胶。触变性的一个重要标志是物体保持静止后有重新稠化的可逆过程。这类流体的粘度不仅随剪切速率变化，而且在恒定的剪切速率下，它的粘度也随着时间的推移而下降，并达到一个常数值。当剪切作用停止后，粘度又随时间的推移而增高，大多数触变性流体，经过几小时或更长的时间，可以恢复到初始的粘度值。它的曲线形态表现为，在流动曲线图中“上行曲线”不再与“下行曲线”重叠，而是两条曲线之间形成了一个封闭的“梭型”触变环。这个“梭型”触变环的面积大小决定着触变特性的量度，它表示破坏触变结构所需要的能量。1

分类流变曲线可分为牛顿流体和非牛顿流体。其中非牛顿流体还可分为时间独立性流体(a．假塑体，b．膨胀体，c．塑性假塑体，d．塑性膨胀体)、时间相关性流体(触变物质和振凝性流体)以及粘弹性流体(线性粘弹体和非线性粘弹体)。

熔体流变曲线特征与挤出畸变的关系熔体流变曲线是描述聚合物熔体非线性黏弹性变化规律的特征曲线。包括：描写黏性变化的曲线———剪切应力（σ）－剪切速率（γ）曲线；表观剪切黏度（ηa）－γ曲线；描写弹性变化的曲线———入口压力降（P0）－挤出速率曲线；挤出胀大比（B）－挤出速率曲线；拉伸黏度（ηe）－挤出速率曲线等。

低速挤出时流变曲线通常是稳定的单调连续曲线。高速挤出时，尤其当流场出现强应力集中和不稳定扰动时，流变测量无法正常进行，曲线会变得复杂。例如剪应力曲线会在某剪切速率范围内发生断裂，或在不同剪切速率范围曲线斜率发生突变，或因熔体破裂使挤出胀大比无法测量等。不同结构熔体的流变曲线具有不同特征，且与流场扰动和挤出畸变相互关联，因此考察熔体流变曲线的特征有助于深入理解畸变发生的机理。

流变曲线测量的意义剪应力曲线除反映熔体的黏－切依赖性和黏－温依赖性外，还反映了熔体在毛细管内的流动状态，尤其反映了熔体在毛细管壁处的应力－应变行为以及熔体/管壁边界状态。管壁应力发生突变一则反映了熔体/管壁界面相互作用（界面状态）的突变，二则反映了管壁附近分子链的取向状态和熵变程度，两者均与挤出物的表面形貌相关联。

入口压力降曲线主要反映熔体弹性变化规律。流变学原理指出入口压力降主要消耗在口模入口区用以建立强拉伸流场。弹性流体流经入口区时因存在纵向速度梯度而经历强拉伸形变，该形变属于弹性形变。由于拉伸形变是熔体整体经历的形变，因此入口压力降发生变化对挤出物形貌的影响是一种整体影响，具体表象为挤出胀大和整体扭曲或畸变。2

两类不同特征的剪切应力曲线低速下大多数聚合物熔体的剪切应力－剪切速率曲线有一定相似性，即假塑性，但挤出速率提高尤其在发生挤出畸变时，不同结构熔体的应力曲线表现出显著差异。主要有两大差别：一是曲线连续性变化，是曲线连续还是曲线断裂；二是曲线斜率的变化，是渐变还是突变。这些差异与分子链拓扑结构相关联。通常线形分子链熔体如HDPE，线性低密度聚乙烯（LLDPE）的流动曲线有时在某个剪切速率范围会发生断裂，或在高、低剪切速率区曲线斜率发生突变；而长链支化或带大量侧基聚合物熔体如LDPE、聚丙烯（PP）、溶聚丁苯橡胶（SSBR）的流动曲线始终保持连续，高、低剪切速率区的曲线斜率是渐变的。

研究结论a）熔体流变曲线与流场扰动和挤出畸变之间存在紧密的联系，本质上是同一现象的不同体现，都可以作为判断熔体挤出行为的指纹性特征。

b）有些线形链聚合物熔体/管壁间吸附作用强，高速挤出时容易在管壁产生流动应力集中，使界面状态突变，由黏界面转变为时黏时滑的振荡界面，导致剪应力曲线断裂，挤出压力振荡，挤出物发生鲨鱼皮或黏－滑畸变等表面有规律畸变。

c）有些长链支化聚合物由于熔体弹性高，高速挤出时在口模入口区的弹性形变大，入口压力降高，容易在入口区产生流动应力集中，导致流场失稳，入口压力波动，挤出物发生整体无规畸变或熔体破裂。3

本词条内容贡献者为:

尹维龙 - 副教授 - 哈尔滨工业大学