[科普中國]-拉伸變硬

拉伸變硬（Extension Thickening），又名拉伸增稠，即拉伸應(yīng)力達到某一數(shù)值開始，拉伸粘度λ隨應(yīng)力繼續(xù)增大而增加，并在某一應(yīng)力數(shù)值達到新的平衡值。常見于具有支鏈的低密度聚乙烯、聚異丁烯及聚苯乙烯等的收斂流動過程中。

區(qū)別拉伸變?。寒?dāng)拉應(yīng)力達到某一數(shù)值開始，拉伸粘度λ隨應(yīng)力增加而降低，然后達到一新的平衡值。常見于聚丙烯和聚乙烯等的收斂流動過程中。

產(chǎn)生過程在聚合物流體的收斂流動或拉伸流動過程中，聚合物液體會產(chǎn)生很大的拉伸應(yīng)變，它表現(xiàn)為柔性分子鏈流動中逐漸伸展和取向。拉伸變硬和拉伸變稀都是在聚合物流體在收斂流動過程中拉應(yīng)力增加而引起拉伸粘度的增加或減少而產(chǎn)生的。因此拉伸粘度至關(guān)重要。1

拉伸粘度與剪切流動一樣，拉伸流動也有一個拉伸粘度。拉應(yīng)力σ與拉伸應(yīng)變速率?的比值。拉伸粘度主要與拉伸溫度有關(guān)。即：λ(T)=σ/?

拉伸方式拉伸應(yīng)力分為單軸拉伸和雙軸拉伸，因此拉伸粘度可以分為單軸拉伸粘度和雙軸拉伸粘度。單軸拉伸即是聚合物收到一個方向上的拉伸。單軸拉伸時，?=dε/dt=1/L dL/dt ，σ=λ?=λ(dvz/dz)，這時λ=3η；雙軸拉伸是聚合物在同一平面的兩個相互垂直的方向上受到的拉伸。當(dāng)兩個方向的拉應(yīng)力相等時，則平面在兩個方向的伸長應(yīng)變是均勻和相等的：εxx=εy=ε；拉伸粘度和剪切粘度的關(guān)系，與楊氏模量和剪切模量的關(guān)系相似，對于牛頓液體雙軸拉伸時的粘度λ⊥是單拉伸時粘度λ的兩倍，所以λ⊥=2λ=6η軸。小分子液體和低剪切速率下高聚物熔體的拉伸粘度與應(yīng)力無關(guān)。

高聚物熔體拉伸粘度的幾個類型高聚物熔體拉伸粘度與應(yīng)力的關(guān)系大致可分為三種類型：第一類是即使應(yīng)力很高，拉伸粘度仍與應(yīng)力無關(guān)；第二類材料像聚丙烯，其拉伸粘度隨應(yīng)力的增加而降低直至一個平臺（拉伸變?。?；第三類材料是拉伸變稠型（拉伸變硬），拉伸粘度隨應(yīng)力的增加而增加至一個平臺。其他高聚物材料如聚丁烯，聚苯乙烯的拉伸粘度都隨應(yīng)力的增加而增大，高密度聚乙烯的拉伸粘度隨應(yīng)力的增加而減小，有機玻璃、ABS樹脂、聚酰胺、聚甲醛的拉伸粘度則與應(yīng)力無關(guān)。

拉伸粘度的試驗測定單軸拉伸粘度的實驗測定方法有在給定應(yīng)力下測形變速率，則外加拉力須隨拉伸時斷面積的減小而自動減小。也可在給定形變速率下測拉伸力，還有從等溫紡絲以及毛細管擠出的入口效應(yīng)等試驗推算。
雙軸拉伸粘度可用雙軸拉伸機或類似爆破測試的原孔吹脹法測定。實例如穩(wěn)態(tài)拉伸流動的梅斯納斯（Meissner）拉伸流變儀。

拉伸粘度的工藝學(xué)意義拉伸粘度在高聚物加工工藝（如纖維紡絲、混煉、薄膜壓延、注塑、瓶子和薄膜的吹塑等）中具有重要的意義。紡絲過程中，在接近毛細管或噴絲板的入口區(qū)以及在出毛細管后的纖維卷繞過程中，都會產(chǎn)生單軸拉伸形變。在進入混煉機滾筒或壓延機滾筒間隙的入口區(qū)也會產(chǎn)生較大的拉伸形變。在注塑機和擠出機中，當(dāng)高聚物流經(jīng)截面積有變化的料道時，都會引起拉伸流動。在吹塑中產(chǎn)生的則是雙軸拉伸。

不同高聚物熔體在高應(yīng)力時拉伸行為的差異直接與工藝過程和尺寸穩(wěn)定性有關(guān)。如果拉伸粘度隨應(yīng)力增加而增加，那么纖維紡絲和薄膜的拉制過程就會變得比較容易和穩(wěn)定。例如，紡絲過程中，在纖維中產(chǎn)生一個薄弱點，它就會導(dǎo)致該點截面積的減小和拉伸率的增加，而拉伸速率的增加又會引起拉伸粘度的增加，這就阻礙了對薄弱部位的進一步拉伸。任何局部的缺陷或應(yīng)力集中都將“大”化“小”，“小”化“了”，最終可使形變是均勻的。相反，如果拉伸粘度隨應(yīng)力增加而減小，那么局部的細小疵點和應(yīng)力集中將促使拉伸粘度降低，材料可能完全破裂。

應(yīng)用1、高分子液體的可紡性非常強烈的依賴于其拉伸粘度行為。在纖維的紡絲過程，對于拉伸流動占優(yōu)勢的這一過程，必須穩(wěn)定且絲條不會突然拉斷，其重要性十分清楚。在正常的操作條件下，沿絲條的張力應(yīng)當(dāng)仔細選擇防止斷裂，并應(yīng)十分留心小擾動的傳播和擴大。在這類物理過程中，此種擾動某種程度上是不可避免的。紡絲線的穩(wěn)定性是廣泛的研究領(lǐng)域?？梢约俣ㄓ捎谀撤N原因使直徑發(fā)生了變化，根據(jù)簡單的連續(xù)性考慮，應(yīng)當(dāng)預(yù)料單纖維的較細絲條部分的其它部分移動較快，即絲條中較細窄部分的拉伸應(yīng)變速率要更高一些。假如高分子液體是變稀的，那么纖維細窄部分的拉伸阻力將減小，這一部分四條的運動將會進一步加速，纖維變得越來越細，最終可能斷裂，各種力學(xué)性能也可能降低。另一方面，假如高分子液體是拉伸變硬的，那么纖維細窄部分的阻力將增大，纖維中的流動將減慢下來，半徑會增加且預(yù)料會回復(fù)到絲條其他部分的半徑。所以，拉伸變硬在這一過程中是穩(wěn)定因素。

2、對于高分子熔體，在非織造布專用聚丙烯拉伸流動性能研究中發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)變率的增加，熔體粘度先增加，后下降。當(dāng)應(yīng)變率達到一定值后熔體斷裂。因此，要使熔體的拉伸粘度增加到一定值，趨于穩(wěn)定，可以使長絲強度穩(wěn)定，不斷絲。PPU1780F1拉伸粘度高，彈性小，故適宜用作擠壓法非織造專用聚合物，而NX50081彈性好，拉伸粘度低，故不宜過多拉伸，可選座位注塑模壓成型制品。

3、在吹塑薄膜方面，高熔體強度聚丙烯的性能與應(yīng)用中表明，HMSPP具有較高的熔體強度和應(yīng)變硬化的特性，有利于制品性能的提高和加工工藝的控制，拓展了PP在擠出發(fā)泡、高速涂覆、吹塑薄膜、大型吹塑等應(yīng)用領(lǐng)域。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

曹慧慧 - 副教授 - 中國礦業(yè)大學(xué)