1.6 塑料加工的流变学基础

1.6.1 流变学的定义

什么是流变学？流变学是研究物质（材料）的流动与变形的科学。也就是研究材料的流动和变形与造成材料流变的各种因素之间的关系的一门学科。它是介于力学、化学和工程学之间的边缘学科。

很久以来，流动与变形是属于两个范畴的概念。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，表现出黏性行为，产生永久变形，形变不可恢复并耗散掉部分能量；而固体变形时表现出弹性行为，其产生的弹性形变在外力撤销时能够恢复，且产生形变时储存能量，形变恢复时还原能量，材料具有弹性记忆效应。通常液体流动时遵从牛顿流动定律，称为牛顿流体；固体变形时遵从胡克定律，称为胡克弹性体。

牛顿流体和胡克固体是两类性质被简化的抽象物体，实际材料往往表现出远为复杂的力学性质，如沥青、黏土、石油、油墨、血浆、食品、泥石流、橡胶、塑料等，它们既能流动，又能变形；既有黏性，又有弹性；变形中会发生黏性损耗，流动时又有弹性记忆效应，黏、弹性结合，流、变性并存。对于这类材料仅用牛顿流体定律或胡克弹性定律已无法全面描述其复杂的力学响应规律，必须发展一门新学科——流变学对其进行研究。由此可见，流变学是人类对自然界深化研究和认识的产物。

从图1-11的对比可以看出，所谓“流变性”实质就是“固-液两相性”同存，是一种“黏弹性”表现，但这种黏弹性在大多数情况下不是简单的线性黏弹性，而是复杂的非线性黏弹性。

图1-11 液体流动与固体变形的特性对比

1.6.2 流变学研究的对象

由于牛顿流体与变形问题已由牛顿流体力学解决，因而流变学的研究对象就是非牛顿流体。根据非牛顿流体的不同类别，又有聚合物流变学、生物流变学、食品流变学、悬浮液流变学、润滑剂流变学、石油流变学等各科学分支。此外，还有与社会科学交叉的心理流变学等。所以，流变学研究的对象包含了许多行业，最主要的是：聚合物（高分子）、食品、石油、医药、油墨、涂料、悬浮体系、分散体系等。

流变学作为研究物质流动与变形的科学，其目的并不单纯地看重力学行为，而是着重于物质（材料）的力学行为与结构之间的关系，并揭示结构对性能的影响，为实现分子设计提供重要的理论和实践依据。因此，流变学本构方程是流变学的基础，因为本构方程反映了物质（材料）的结构实质和其个性。

在流变学发展过程中，美国物理化学家宾汉（E. C. Bingham）教授作出了划时代的贡献。他不仅发现了一类所谓的“Bingham流体”（如，润滑油、乳油、泥浆等）的流动规律，而且把20世纪以前积累下来的有关流变学的零碎知识进行了系统归纳，并正式命名为“流变学（Rhe-ology）”。Bingham于1928年根据古希腊哲学家赫纳科尼特（Heraclitus）的名言：“万物皆流（Everything flows）”，倡仪成立“流变学会”，并创刊了《流变学杂志》（J. of Rheology），从此以后，流变学逐渐为美、英、俄、法、德等国所承认，也就意味着现代流变学的诞生。

1.6.3 高分子液体流变学脉络图

高分子液体（熔体和溶液）流动时表现典型的黏弹性行为，但这种黏弹性不是普通牛顿流体和胡克弹性体的简单加和，而属于非线性黏弹性，非常复杂，其脉络图如图1-12所示。

图1-12 高分子液体流变学脉络图

从上可以看出，高分子液体的流变学非常复杂，经典理论显得苍白无力，但是却给高分子流变学带来了十分有趣和丰富多彩的研究课题以及广阔的发展空间。