介紹
流變學(xué)是研究物質(zhì)流動(dòng)和變形的一門(mén)
學(xué)科，它建立在17 世紀(jì)晚期Hooke
和 Newton引入的彈性和粘性原理的
基礎(chǔ)之上。因?yàn)槿菀壮尚停瑑r(jià)格低廉，
熱塑性聚合物熔體廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工
業(yè)制造，被用來(lái)制備各種產(chǎn)品。所以
我們需要了解聚合物熔體成型時(shí)是如
何流動(dòng)的。
聚合物是一個(gè)復(fù)雜體系，很多因素都
影響其流動(dòng)屬性。影響流變性能的因
素可能包括：成型溫度；流動(dòng)速度；
停留時(shí)間等。
除此之外，聚合物的流變特征介于液
體和固體之間。這就導(dǎo)致聚合物的流
動(dòng)特征和其他重要的特性，下面討論
其中的部分關(guān)系。
我們已明確，熔體粘度取決于溫度。
降低模具溫度直至正在成型的部分產(chǎn)
生粗面，這時(shí)的溫度就是產(chǎn)品表面不
會(huì)出現(xiàn)瑕疵的zui低成型溫度（對(duì)應(yīng)zui
大樹(shù)脂粘度）。
降低模具的溫度可以節(jié)約能量、縮短
生產(chǎn)時(shí)間，因此了解粘度與溫度的關(guān)
系是十分重要的。
*，聚合物熔體擠出時(shí)會(huì)有出
口脹大現(xiàn)象，其表現(xiàn)就是擠出物直徑
變大。出口脹大的程度與進(jìn)入口模時(shí)
熔體的彈性變形大小相關(guān)。另外要注
意的是，在流量恒定的情況下，熔體
的出口脹大程度（確切說(shuō)是擠出脹大
程度）取決于口模的長(zhǎng)度。換句話說(shuō)，
聚合物熔體有時(shí)間依賴性，聚合物熔
體會(huì)逐漸消除入模時(shí)產(chǎn)生的彈性變形，
熔體在口模里的時(shí)間越長(zhǎng)，出口脹大
程度也就越小。
熔體彈性對(duì)很多其他聚合物加工成型
有著深刻的影響，例如：
吹塑成型。產(chǎn)品的壁厚取決于模具閉
合前擠出時(shí)產(chǎn)生的出口脹大程度。
真空成型或熱成型。聚合物必須保持
一定程度的彈性，防止被真空吸入冷
成型模具前產(chǎn)生下垂。如果聚合物沒(méi)
有足夠的彈性，它有可能在應(yīng)用真空
和壓力前接觸到冷硬的模具。
同時(shí)，聚合物的加工性能也取決于混
合物成型時(shí)潤(rùn)滑劑、增塑劑、填充物
和其他組分的濃度。從該簡(jiǎn)介中我們
可以了解，要正確認(rèn)識(shí)聚合物熔體流
動(dòng)性能，需要各種各樣復(fù)雜的儀器。
流變學(xué)家認(rèn)為，聚合物流動(dòng)性能可以
簡(jiǎn)單分為三部分：以粘度表征的剪切
與拉伸流動(dòng)，和以模量或脹大比表征
的彈性行為。
為了全面表征聚合物的性質(zhì)，要求使
用的儀器可以在一定的溫度和剪切/拉
伸速率的范圍內(nèi)提取這些參數(shù)。現(xiàn)代
實(shí)驗(yàn)室流變測(cè)試儀器可以分為兩大類：
旋轉(zhuǎn)流變儀和毛細(xì)管流變儀。
該類儀器通常需要檢測(cè)少量聚合物樣品，
樣品呈圓片狀，通常為直徑 25 毫米、
厚 1 毫米。將該樣品放置在一對(duì)平行板
之間，或是上面是錐形板，下面是平板，
可以通過(guò)外部加熱裝置來(lái)保持溫度，如
吹風(fēng)爐或?qū)Π暹M(jìn)行電加熱。
現(xiàn)代旋轉(zhuǎn)流變儀可以進(jìn)行多種測(cè)試，能
夠全面表征材料在一定溫度和流動(dòng)速率
范圍內(nèi)的流動(dòng)行為。可進(jìn)行的測(cè)試項(xiàng)目
例如：
流變曲線，測(cè)量剪切粘度與剪切速率或
剪切應(yīng)力之間的關(guān)系。若剪切速率足夠
低，可得到恒定的粘度，即所速率足夠
低，可得到恒定的粘度，即所謂的零剪
切粘度。
旋轉(zhuǎn)流變儀
流變學(xué)應(yīng)用文章
2 流變學(xué)應(yīng)用文章
圖 1：190°C 時(shí) LDPE 的流動(dòng)曲線，其粘度在
低剪切速率下呈現(xiàn)平臺(tái)。零剪切粘度的大小由
聚合物的平均分子量決定。
圖 2: 190ºC 聚丙烯的蠕變（藍(lán)色）和恢復(fù)（紅色）
曲線，能夠測(cè)定零剪切粘性和平衡可恢復(fù)柔量。
圖 3：190°C 時(shí) LDPE 的應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)。松弛時(shí)
間分布曲線包含聚合物分子量的分布信息。
圖 4: 聚丙烯在 190?C 時(shí)的頻率掃描。交點(diǎn)
由平均分子量和分子量分布決定。
試驗(yàn)表明，零剪切粘度取決于聚合物
的平均分子量，平臺(tái)的長(zhǎng)度（即粘度
降低前的剪切速率）反應(yīng)了分子量分
布的寬度。可使用軟件包從這些數(shù)據(jù)
中測(cè)定平均分子量和分子量分布。
蠕變?cè)囼?yàn)（在的時(shí)間內(nèi)持續(xù)施加
恒定應(yīng)力），是測(cè)定零剪切粘度的另
一種方法。結(jié)合回復(fù)試驗(yàn)（移除應(yīng)力），
它們可以測(cè)量樣品彈性應(yīng)變量的大小，
因?yàn)閺椥晕镔|(zhì)會(huì)產(chǎn)生回彈并盡量恢復(fù)
其原始形狀。
應(yīng)力松弛試驗(yàn)是使樣品瞬間變形（施
加應(yīng)變），并記錄應(yīng)力隨時(shí)間的變化。
應(yīng)力松弛的速度取決于測(cè)試溫度下聚
合物的粘彈性。該數(shù)據(jù)通常用松弛模
量與時(shí)間坐標(biāo)圖顯示。模量與時(shí)間的
關(guān)系經(jīng)常被忽略，但它能快速測(cè)定零
剪切粘度以及平均分子量。
模量/時(shí)間微分函數(shù)可以生成連續(xù)的松
弛時(shí)間分布曲線。這種本質(zhì)上異常復(fù)
雜的函數(shù)包含了與聚合物分子量分布
相關(guān)的信息。
小振幅振蕩測(cè)試作為便捷的頻率測(cè)試
功能，經(jīng)常用于同時(shí)測(cè)量聚合物的彈
性和粘性特征。zui常使用的兩個(gè)參數(shù)
是“存儲(chǔ)”（彈性）模量和“損耗”（ 粘
性）模量 (G’’)，分別表征材料的恢復(fù)
（即彈性響應(yīng)）和流動(dòng)（粘性響應(yīng)）
隨形變速率（測(cè)試頻率）改變而相應(yīng)
改變的程度。
聚合物熔體的典型響應(yīng)是高頻率下主
要表現(xiàn)為彈性，低頻率下主要表現(xiàn)為
粘性。這意味著存在一個(gè)兩種響應(yīng)相
等的臨界頻率。很明顯，這是一個(gè)意
義明確的點(diǎn)，而這個(gè)頻率與模量的交
點(diǎn)取決于某些線型聚合物的分子量和
分子量分布。利用這個(gè)點(diǎn)作為質(zhì)量控
制工具的潛在優(yōu)勢(shì)在于與產(chǎn)生剪切粘
度的常量點(diǎn)相比，儲(chǔ)能模量和損耗模
量的交點(diǎn)在較高的頻率。因此，與流
動(dòng)曲線測(cè)量或蠕變?cè)囼?yàn)相比，該測(cè)試
的時(shí)間可能要少得多。
關(guān)于分子結(jié)構(gòu)信息和加工性能關(guān)系的
全面討論已經(jīng)超出了這篇文章的范圍，
而下面的例子可以說(shuō)明聚合物的粘性
和彈性表征是怎樣解決實(shí)際加工中的
問(wèn)題的：
A) 擠出成型中管厚規(guī)的多樣性
低頻率下（0.1 Hz 以下）的振蕩測(cè)試
揭示不同批次材料之間的彈性模量差
異。顯而易見(jiàn)，管厚規(guī)取決于聚合物
擠出后的恢復(fù)程度，因此管道尺寸越
大彈性模量就越大也就不足為奇了。
B) 減少纖維紡絲特征的不一致性
低頻振蕩測(cè)試能夠顯示不同批次材料
之間的彈性特征差異。
圖 5：兩種 HDPE 管道的頻率掃描曲線。較
高彈性模量的樣品產(chǎn)生較大尺寸的規(guī)管。
圖 7：優(yōu)劣聚丙烯短纖維（PP 纖維）樣品
儲(chǔ)存模量與頻率的函數(shù)。劣質(zhì)樣品彈性較大，
導(dǎo)致纖維直徑不一致。
圖 6： 優(yōu)劣聚丙烯短纖維（PP 纖維）樣品
復(fù)數(shù)粘度與頻率的函數(shù)。注意，沒(méi)有明顯可
識(shí)別的差異。
單單看粘度，沒(méi)有大的差別，表明材料的平
均分子量是一致的。低頻時(shí)的彈性差異是由
于分子量分布 (MWD) 差異導(dǎo)致，MWD 范
圍寬，導(dǎo)致更多的分子鏈纏繞在一起，妨礙
了纖維紡絲工藝中的拉伸工藝。這又會(huì)導(dǎo)致
zui終生產(chǎn)出的產(chǎn)品不一致。
毛細(xì)管流變儀
毛細(xì)管流變儀包含一個(gè)溫度可控的
料桶，裝有一個(gè)或多個(gè)精密的孔，孔的
出口位置裝有毛細(xì)管口模。熔體壓力傳
感器安裝在口模的正上方，用于檢測(cè)當(dāng)
聚合物熔體按設(shè)定的流動(dòng)速度從口模中
擠出時(shí)的壓降。使用毛細(xì)管口模和“孔”
或“零長(zhǎng)度”口模可以通過(guò)測(cè)定聚合物的
剪切速率和拉伸速率與剪切粘度和拉伸
粘度的關(guān)系。
借助于不同的附件，可以使用激光掃描
儀測(cè)量出口脹大，使用速度可控的輥組
傳送纖維狀聚合物測(cè)量熔體強(qiáng)度（熔體
張力）與牽引速度的關(guān)系。
一般來(lái)說(shuō)，毛細(xì)管流變儀比旋轉(zhuǎn)流變儀
更常用于測(cè)定高剪切速率下熔體特性，
以及在典型的加工條件下測(cè)定流變性能。
尤其重要的是其測(cè)定高拉伸速率下的拉
伸（伸長(zhǎng)）特征，特別是測(cè)定生產(chǎn)線上
的拉伸速率的能力遠(yuǎn)高于其他技術(shù)（如
反向旋轉(zhuǎn)滾輪設(shè)備）。
圖 8 和圖 9 顯示剪切和拉伸數(shù)據(jù)，說(shuō)
明了很重要但經(jīng)常被忽略的一點(diǎn)：兩種
聚合物可能有幾乎相同的剪切流動(dòng)行為，
卻有可能表現(xiàn)出極為不同的拉伸行為。
前面已指出，許多聚合物加工工藝（纖
維紡絲、中空吹塑）事實(shí)上都是拉伸工
藝，因此測(cè)定拉伸粘度比測(cè)量剪切粘度
更為重要。
圖 8：剪切粘度與剪切速率的關(guān)系。兩種橡膠
數(shù)據(jù)不能明顯區(qū)分。
圖 9：拉伸粘度和拉伸速率曲線，與圖 8 所示
為同種材料。拉伸特征明顯不同。
圖 10：證明熔體的破裂表現(xiàn)為由振蕩壓力。該
材料為 190?C 下的聚丙烯。
毛細(xì)管流變儀通常用于研究加工性能，而不是僅
僅用于測(cè)定流變參數(shù)。兩個(gè)例子是流動(dòng)不穩(wěn)定區(qū)
域的測(cè)定以及壁面滑移和臨界應(yīng)力的測(cè)量。
流變