■蘇州誠模精密 / 孫同傑 經理 & 韓強 檢測工程師
高分子材料的黏彈性
高分子熔體或溶液具有黏彈性，即在變形時會有黏性損耗，流動時也會產生彈性記憶效應。從概念上來說，這種黏彈性可以分為線性黏彈性和非線性黏彈性。其中，非線性黏彈性也是高分子材料流變學的主要研究內容。值得注意的一點是高分子熔體或溶液的彈性，與我們常規意義上所說的高分子的本體彈性有些不同。比如橡膠類材料交聯後，在常溫下具有高彈性，這種高彈性來自於高彈態下高分子的鏈段運動，並且因為交聯網絡的，形變可以完全恢復。而高分子熔體或溶液的彈性，或者處於黏流態下的高分子彈性，其發生總是伴隨不可逆的黏性流動，也因此稱之為黏彈性；其原理與高分子纏結形成的不完善的網絡結構有關，這種網絡也不同於交聯橡膠網絡。
所謂線性黏彈性，是指高分子在小變形下的流變行為。比如，用旋轉流變儀測試高分子的動態黏彈性（交變的應力、應變），就是測試其在小振幅、小形變下的線性黏彈性。這裡提到的動態黏彈性的測試，與穩態剪切流場中的流變測試有差異。動態黏彈性的測量通常採用的是轉子型流變儀，比如錐板式流變儀、同軸圓筒流變儀等，測試採用的是振盪模式，即設定一個應變，以不同的振盪頻率對材料進行動態頻率掃描，這裡不同的振盪頻率類似於穩態掃描時的剪切速率。此應變值的確定通常是通過固定掃描頻率後對材料進行應變掃描得到的，所取的應變值應處於線性黏彈區，即熔體結構未發生破壞的區域。動態黏彈性的測量可以同時得到黏性行為參數和彈性行為參數，包括儲能模量、損耗模量、複數黏度和動態黏度等；除此以外，運用時溫等效原理可以擴大測量的頻率範圍。轉子型流變儀測試的剪切速率範圍約為10-3~10-2 s-1之間，而毛細管流變儀可測試的剪切速率範圍一般在10-1~104 s-1之間。
非線性黏彈性研究的是大變形、長時間的應力作用下高分子液體的流變行為，如毛細管流變儀測試剪切黏度，研究的就是非線性黏彈性中的黏性行為，且屬於穩態黏彈性。大多數高分子液體屬於假塑性流體，其流動過程中存在剪切變稀現象。關於高分子液體非線性黏彈性的另一個重要組成部分──彈性效應，其表現更為多樣，原理也更為複雜。高分子液體的彈性效應可以用一些特定的物理量來定量描述，比如擠出脹大比、口型出口壓力降、入口壓力降、法向應力差、拉伸黏度等。此外，高分子熔體流動不穩定性也主要與熔體彈性效應密切相關，比如毛細管擠出過程中的入口壓力振盪或毛細管壓力振盪、擠出物表面畸變等。
高分子材料的剪切變稀
高分子液體的黏度和牛頓流體黏度不同，是隨著剪切速率而變化的，稱作非牛頓流體，又可以分為賓漢塑性體、假塑性流體和脹流性流體等。大多數的高分子液體屬於假塑性流體。在發生剪切變稀之前，剪切黏度為常數，稱為零剪切黏度。零剪切黏度是高分子材料的一個很重要的常數，與材料的平均分子量相關聯，並且由零切黏度可以求得材料的黏流活化能。一般情況下，鏈柔順性越好，黏流活化能越小，高分子黏度變化對於溫度的敏感性越小，對於剪切的敏感性越高，如PE、POM等材料均屬於此類材料。零切黏度常常難以由實驗得到，特別是毛細管流變儀通常很難測得很低的剪切速率。此時，可以通過轉子流變儀來測試。假塑性流體除了具有一個重要參數──零切黏度值以外，其黏度曲線上由牛頓區轉入非線性牛頓區的臨界剪切速率值也非常重要。此臨界值反應了高分子液體的兩個性質：非牛頓性強弱以及鬆弛時間長短。關於非牛頓流動區內剪切變稀現象的解釋，有不同的理論，比如高分子構象改變說和類橡膠液體理論。簡言之，是高分子構象的改變（取向）或解纏結導致高剪切下流動時黏度的下降。
毛細管流變儀測試高分子材料的剪切黏度
前面已經提到，毛細管流變儀是測試高分子材料剪切黏度的有力手段。在蘇州誠模精密科技有限公司的材料實驗室內，毛細管流變測試已成為表徵材料流動性的最常用手段。毛細管流變儀可以測定不同剪切速率和溫度下塑料黏度的變化，可以得到在接近塑料射出成型的溫度和剪切速率下，塑料熔體的流動性能。測試標準為ISO 11443和ASTM D3835。毛細管流變儀的測試原理是，在設定的剪切速率下，測定塑料熔體被擠壓通過固定尺寸的毛細管口模時的壓力，通過壓力和口模的尺寸，可以計算出在該剪切速率下，塑料熔體所受的剪切應力，剪切應力除以剪切速率就得到了黏度。此時得到的黏度為表觀剪切黏度而非真實的黏度，因為毛細管流變儀測定的是塑料熔體通過毛細管口模時的入口壓力，我們需要用Bagley校正得到塑料熔體通過毛細管口模時的壓力損失，從而得到塑料熔體的出口壓力，通過出口壓力和口模尺寸，計算出該塑料熔體的真實剪切應力。由於塑料為非牛頓流體，因此在管壁處的剪切速率要比牛頓流體更高，所以我們需要用Rabinowitsch-Weissenberg校正來修正剪切速率，從而得到真實的剪切速率。校正後的剪切應力除以校正後的剪切速率就得到了塑料熔體真實的剪切黏度。
剪切黏度除了可以表徵不同材料的流動特性以外，也是Moldex3D模流仿真軟體所用的材料數據包中重要的數據之一。在誠模精密的材料應用研究中心，我們研究了大量的PCR材料的流變特性，如圖1展示了不同PCR含量的ABS材料的剪切黏度曲線。從曲線中可以看出，儘管三種牌號的熔體流動速率值是一樣的，但剪切黏度曲線卻有不同。隨著PCR含量的增加，剪切黏度呈現出下降的趨勢。因此，為了更準確的預測含有PCR的高分子材料在模具型腔中的充填過程，誠模精密的材料實驗室會對每一批PCR來料（同一牌號不同批次）的剪切黏度進行測試，以確保所形成的mtr數據包是準確無誤的。
除了含有PCR的材料，如果是同一牌號的不同顏色，我們也會分別測試其剪切黏度。如圖2所示，三種材料均為EXL1414，分別為本色料、黑色料和白色料，其剪切黏度也呈現出不同的變化。
