拉伸粘度

在高聚物的紡絲和吹膜生產中，高聚物熔體離開口模進入空間後，在張力作用下產生的流動是拉伸流動，在管道中凡是流動收斂或發散的流動都包含有拉伸流動的成分，它與剪切流動一樣存在拉伸粘度，這在纖維和薄膜的加工中是十分重要的問題。

拉伸粘度的概念

流體在拉伸流動（流體流動方向與速度梯度方向平行，即產生了縱向速度梯度場）過程中表現的粘度定義為拉伸粘度。1906年英國物理學家特魯頓（F.T.Trorton）發表了研究材料對於單軸拉伸流動的結果，他發現牛頓流體的拉伸應力與拉伸應變速率之間有類似於牛頓剪切流動的規律，即拉伸應力與拉伸應變速率成正比，其比例係數即為單軸拉伸粘度，常稱為特魯頓粘度。研究表明，對於牛頓流體單軸拉伸流動（流體只沿一個方向流動及伸長），拉伸粘度是其剪切粘度的3倍。而對於牛頓流體雙軸拉伸（流體沿互相垂直的兩個方向流動及伸長）流動，拉伸粘度等於6倍的剪切粘度。

影響高聚物熔體拉伸粘度的因素

由於高聚物熔體的非牛頓行為，除在拉伸應變速率很小時符合上面的關係。而隨着拉伸應變速率增大，其拉伸粘度不再保持常數，而是隨拉伸應力或拉伸應變速率變化，因此按上述定義式得到的只能得到表觀拉伸粘度。

拉伸應力

①拉伸粘度與拉伸應力幾乎無關，如尼龍66、丙烯酸酯類聚合物和聚甲醛等，此類聚合物主要是一些分子量較低的線型聚合物，即使拉伸應力高達 Pa，其拉伸粘度與拉伸應力無關；②拉伸粘度隨拉伸應力的增加而增大，這類主要是一些支化聚合物，如低密度聚乙烯（LDPE）在拉伸應力為 Pa時的拉伸粘度是應力為 Pa時拉伸粘度的2倍;③拉伸粘度隨拉伸應力的增加而下降，這類主要是一些高聚合度的線性聚合物，如聚丙烯（PP）、高密度聚乙烯（HDPE）和丙烯和乙烯共聚物等。大多數情況下聚合物熔體的拉伸粘度隨拉伸應力的增加而增加，剪切粘度隨剪切應力的增加而減少，因此在很大應力的作用下，拉伸粘度不再等於剪切粘度的3倍，其數值往往比剪切粘度大一、兩個數量級。

拉伸應變速率

①拉伸粘度與拉伸應變速率無關，如有機玻璃、尼龍、聚甲醛等；②拉伸粘度隨拉伸應變速率的增加而減少，如高密度聚乙烯等；③拉伸粘度隨拉伸應變速率的增加而增加，如聚異丁烯、聚苯乙烯等就是這種情況。

其他因素

拉伸粘度的大小還與其分子結構、分子量、分子量分布等因素有關。

拉伸粘度的生產應用

聚合物的拉伸粘度及其影響因素對於聚合物加工成型方法意義重大，例如合成纖維的熔融紡絲（單軸拉伸），吹塑薄膜、薄膜和雙軸拉伸等與熔體的拉伸粘度密切相關。原則上，在拉伸過程中，如果拉伸粘度隨拉伸應力或拉伸應變速率的增加而增加，聚合物熔體局部缺陷則逐漸趨於均勻化以致最後完全消失；如果拉伸粘度隨拉伸應力或拉伸應變速率的增加而減少，聚合物熔體局部缺陷不可能均勻化，更不會消失，最終則會破裂。 同時，拉伸粘度是材料的一項「可紡性」指標，拉伸粘度低的聚合物的可紡性一般很好。實驗結果證明，當聚合物的重均分子質量相同時，相對分子質量分布寬的聚合物的拉伸粘度較高；相對分子質量分布窄的聚合物的拉伸粘度較低。因此，紡制纖維原料的聚合物其相對分子質量分布一般都很窄，這樣才具有可紡性。

拉伸粘度的測定方法

Meissener法：所需儀器是梅諾森滾筒延伸儀器，它是一種穩態拉伸流動（拉伸應變速率保持不變）實驗的儀器，其原理是將一層待測樣品薄膜夾在兩對滾筒之間，滾筒以恆速反向轉動，直至實驗終結。缺陷很明顯，被測熔體必須粘度很大。其優點是此方法與紡絲十分相似，對紡絲生產具有重大的指導意義,並且有可能通過測定瞬態拉伸粘度來表徵聚合物的鏈結構。

參考文獻

《高分子物理及化學》〔北京：中國輕工業出版社，2001〕 《高分子物理教程》〔北京：化學工業出版社，2006.3〕