1.2　流变学的研究对象和方法

流变学是研究材料的流动和变形的科学，因此流变学研究的对象就是材料。这里所说的材料既包括流体形态的物质，也包括固体形态的物质。以下将对物质进行流变学上的定义。

1.2.1　流变学关于物质的定义

经典力学认为，流动与变形是两个范畴的概念，流动是液体材料的属性，而变形是固体材料的属性。液体流动时，产生永久变形，形变不可恢复，消耗能量，表现为黏性行为。而固体受到外力作用时发生弹性变形，在外力撤销后形变恢复，表现出弹性行为。且产生形变是储存能量，形变恢复时还原能量，如图1.2所示。通常液体流动时遵循牛顿流动定律，而固体形变时遵从胡克定律，其应力、应变之间的响应为瞬时响应。

但是随着科学的发展，出现了不能用经典力学解释的现象。例如，如果水从喷嘴高速喷出，在液滴撞到硬墙上时，变得扁平；然后液滴弹回，在弹性和表面张力的作用下立即变回球形。在这极快的形变过程中时间（t）非常短，从而Deborah数值（λ/t）非常高。所以，即便是低λ值的水，此时也表现出弹性特征。法国著名的Chartres大教堂的玻璃窗完工于600年前，其玻璃一直在“流动”。中世纪时玻璃板上、下厚度一致，但是在重力作用下，如今玻璃顶部薄如纸，而底部却比以前厚了2倍还多！这种足够长时间的流动过程使Deborah数值变得很小。因此可以说：只要耐心等待，尽管在室温下具有较高λ值的固体玻璃也可以被划入液体的范畴。不难发现，时间标尺是衡量流动与变形最重要的尺度之一。

因此流变学从时间的角度出发，对物质进行了新的定义，认为固体与液体两者的差别主要在于外力作用时间及观察者观测时间的尺度不同；认为流动可以视为广义的变形，而变形也可以视为广义的流动。在流变学的范畴中，固体和液体没有实质性的差别，不同之处在于它们在载荷的作用下自身所产生的响应快慢不同而已。从对物质施加应力或应变所产生的响应出发，如果对物质施加一定的应变，物质产生的应力响应时间足够短（瞬时），那么认为该物质在既定的实验条件下是固体；但如果对物质施加一定的应变，物质的应力响应在可观测的时间范围内完全松弛，那么认为在这种情况下该物质是液体。反之，从施加应力后应变响应的变化来定义物质也是一样的，如图1.3所示。当施加一定应力条件下，某一物质瞬间产生一个应变且达到平衡，即应变保持不变，此物质即为固体；而施加一定应力后，应变瞬间产生，但却随时间的发展而不断发展，始终无法达到平衡并最终趋于无穷大，此物质为液体。

此外，介于固体和液体之间，存在具有迥异的应力、应变响应和流变行为的“软物质”。“软物质”这一概念由法国科学家de Gennes在1991提出，主要指触摸起来感觉柔软的，对于弱的外界施加于物质瞬间的或微弱的刺激，都能做出相当显著的响应和变化的一类凝聚态物质，如图1.2所示。实际上，材料尤其是高分子材料往往表现出非常复杂的流变性质，它们在变形中会发生黏性损耗，流动时具有弹性记忆效应。对于这类材料，仅用牛顿流动定律或胡克定律已无法准确地描述其复杂的力学响应规律，需要发展新的方法、理论来进行研究。

1.2.2　流变学的研究方法

流变学常用的研究方法主要有以下两种。

（1）宏观流变学

宏观流变学也称连续介质流变学或唯象流变学，是将材料当作连续介质处理，用连续介质力学的方法进行研究，是目前流变学研究最重要和主要的方法之一。它对物质的结构不做任何假设，研究具有不同结构的许多物质的共同形状，力学模型建立各种物质的本构关系的数学方程，并在给定的初始条件和边界条件下求出问题的解答。

（2）微观流变学

微观流变学也称结构流变学或分子流变学，是从物质结构的角度出发，研究材料宏观流变性质与微观、亚微观结构的关系。

1.2.3　聚合物流变学

流变学是一门涉及多学科交叉的边缘科学。聚合物流变学，也称高分子材料流变学，是现代流变学的主要分支之一，其研究对象是聚合物流体和固体。目前聚合物流变学主要研究聚合物流体（包括高分子熔体和高分子溶液）在流动状态下的非线性黏弹行为，以及这种行为与材料结构及其他物理、化学性质的关系。聚合物流变学的研究内容与高分子物理学、高分子化学、高分子材料加工原理、高分子材料工程、连续流体力学、非线性传热理论等联系密切。粗略地，可分为聚合物结构流变学、聚合物加工流变学以及实验流变学。

（1）结构流变学

结构流变学又称微观流变学或分子流变学。主要研究聚合物奇异的流变性质与其微观结构——分子链结构、聚集态结构之间的联系，以期通过设计大分子流动模型，获得正确描述聚合物复杂流变性的本构方程，建立材料宏观流变性质与微观结构参数之间的联系，深刻理解聚合物流动的微观物理本质。稀溶液的黏弹理论发展比较完备。由于Rouse-Zimm-Lodge等的贡献，已经能够根据分子结构参数定量预测溶液的流变性质。de Gennes和Doi-Edwards贡献了浓体系和亚浓体系黏弹理论，将多链体系简化为一条受限制的单链体系，提出蛇行蠕动模型。结构流变学的发展对聚合物凝聚态物理基础理论的研究具有重要价值。

（2）加工流变学

加工流变学又称宏观流变学或唯象性流变学。主要研究与聚合物加工过程有关的理论与技术问题。绝大多数聚合物的成型加工都是在熔融或溶液状态下的流变过程中完成的，众多的成型方法为加工流变学带来丰富的研究课题。例如：加工条件变化与材料流动性质（主要指黏度和弹性）及产品物理、力学性质之间的关系；材料流动性质与分子结构及组分结构之间的关系；异常的流变现象如挤出胀大、熔体破裂现象发生的规律、原因及克服办法；聚合物典型加工成型操作单元（如挤出、注射、纺丝、吹塑等）过程的流变学分析；多相聚合物体系的流变性规律；模具与机械设计中的种种与材料流动性与传热性有关的问题等。

（3）实验流变学

实验流变学又称流变测量学，主要是发展流变测量的理论与测量技术。目前已经发展出的流变测量仪器主要有挤出式流变仪（毛细管流变仪、熔体指数仪）、转动式流变仪（同轴圆筒黏度计、锥板式流变仪）、振荡式流变仪、转矩流变仪、拉伸流变仪等。

人们在科学和生产实践中认识到，聚合物成型加工时，加工力场与温度场的作用不仅决定了材料制品的外观形状和质量，而且对材料分子链结构、超分子结构、聚集态结构的形成和变化有极其重要的影响，是决定聚合物制品最终结构和性能的因素。从这个意义来讲，流变学应该成为研究聚合物结构与性能关系的核心环节之一。事实上，当前流变学设计已成为聚合物分子设计、材料设计、制品设计及模具与机械设计的重要组成部分。

研究聚合物流变学的意义：①可指导聚合，以制得加工性能优良的聚合物。例如：合成所需分子参数的吹塑用高密度聚乙烯树脂，则所成型的中空制品的冲击强度高，壁厚均匀，外表光滑；增加顺丁橡胶的长支链支化并提高其分子量，可改善其抗冷流性能，避免生胶储存与运输的麻烦。②对评定聚合物的加工性能、分析加工过程、正确选择加工工艺条件、指导配方设计均有重要意义。例如：通过控制冷却水温、冷却水与喷丝孔之间的距离，可解决聚丙烯单丝不圆的问题；研究顺丁橡胶的流动性，发现它对温度比较敏感，故需严格地控制加工温度。③对设计加工机械和模具有指导作用。例如：应用流变学知识所建立的聚合物在单螺杆中熔化的数学模型，可预测单螺杆塑化挤出机的熔化能力；依据聚合物的流变数据，指导口模的设计，以便挤出光滑的制品和有效地控制制品的尺寸。