高分子流体

高分子流体

由于气体和液体没有固定的形状，在外力作用下会发生流动，所以我们常将它们合称为流体。流动是我们日常生活中司空见惯的现象，但不知你是否知道，有些液体的流动现象十分怪异。当我们用棒快速搅动杯中的水时，会发现水将沿杯壁上升，而棒周围的水面则下降。但如果同样搅动某些高分子溶液或熔体时，情况却恰恰相反：这些溶液或熔体会沿着棒往上爬，棒转得越快，爬得越高。这就是1948年由韦森堡发现的高分子的“爬杆效应”，又称“韦森堡效应”。

泥浆是地质钻探中必不可少的东西，它可以冷却钻头的温度。美国物理化学家宾汉姆发现如果输出泥浆用的泵力量较小，尽管泥浆是液体，也不会从泵口流出，就好像泵被堵塞住了一样。一旦泵达到一定力量时，泥浆便会突然地倾泻出来。除了泥浆之外，还有一些流体也具有这种性质。这类流体被称为“宾汉姆流体”。

在塑料和橡胶的挤出加工或纤维的拉丝生产中，人们发现，无论流出口设计成什么形状，流出产品的出口尺寸均会比这流出口的尺寸大，但长度却缩短了，仿佛它们能记住出口前在容器中的形状，并在离开出口后要努力予以恢复似的。人们把这种现象称为“弹性记忆效应”。

科学家汤姆斯发现，若在水中加入极少量的某些高分子物质，仅为水量的百万分之几，则水的流动阻力会下降75%，输送水管的出水率会因此一下子提高好几倍。若把这种含高分子的水注入油层的岩隙，可使石油的产量提高20%～50%。这种现象称为“汤姆斯效应”。

早在古代就有人对液体的流动进行观察和利用。据我国2000多年前的《墨经》记载，我们的祖先把陶瓷制成漏斗，灌入沙或水，用流出的沙或水的量来计时，这种“陶钟”的精度竟可同现代的钟表相媲美。

无独有偶，有着7000年文明的埃及人在公元1500年前制造的“水钟”，不仅可以测量容器中水层高度与时间的关系，还可测定温度对水流粘度的影响，堪称一绝。各种液体在流动时还有许多其他奇怪的现象，如无管虹吸、挤出畸变等等。于是，一门专门研究材料流动与变形的学科——流变学产生了。高分子流体作为一种很重要的一类材料，在高分子材料技术研究中，十分活跃。

最早深入研究物质流动和变形之间规律的人是17世纪英国伟大的科学家牛顿。他发表的著名的牛顿流体定律就是对水流的研究。该定律用数学公式表达了流体的流动阻力和切变速率之间的关系。式中的比例系数称为流体的粘度，其单位被定名为“泊”，以纪念对流变学有重大贡献的法国科学家泊肃叶。

牛顿流体学的研究对象是水或气体等小分子流体，牛顿流体定律中的比例系数即粘度是一个不变的常数。这类流体称为“牛顿流体”。随着现代科学技术的发展，出现了大量新型的流体，若套用牛顿流体公式，将发现它们的粘度不再是一个不变的常数，人们将这类流体称为“非牛顿流体”。

对非牛顿流体的深入研究大大推动了流变学的发展，也提高了物质生产的水平。例如，我们在油漆家具或粉刷墙面时，当然希望涂层越均匀越平整越好。但在垂直面上要做到这一点却并不容易。其实，油漆和涂料就是非牛顿流体，它们的粘度是可变的。我们选定油漆、涂料的配方时，可要求配成的油漆或涂料在涂刷时粘度（阻力）很小，而一旦刷子停刷，粘度又变得很大，不会自行下流。这样，就可做到既涂刷省力又质量上乘。油漆与涂料的这种特性，用术语就称为“触变性”。也就是说，这种非牛顿流体当有外力的作用时粘度很小，没有外力时又变得很大，具有这种流变性能的流体称为“剪切变稀流体”。相反，在塑料、橡胶、皮革、纤维及食品等工业中，不少流体在流动中随外力的增大，粘度随之增大。这类流体称为“剪切增稠流体”。

宾汉姆流体也属于非牛顿流体的一种，但又与牛顿流体有相似之处：当施加的外力超过一定值后，宾汉姆流体从不流动变成像牛顿流体一样流动，粘度不再变化。究其微观原因，宾汉姆流体具有一种胶状结构，颗粒间相互连结。若外力不能破坏这种连结，它就不流动；而一旦破坏了，颗粒就像小分子一样欢畅地流动起来。

让我们再回来看看韦森堡发现的爬竿现象。高分子液体或熔体在旋转时会沿中心杆向上爬。如果将高分子流体置于两个转动的平板中间，它又会把两块平板分别向上、向下推挤。

如果把高分子流体放在一个圆锥板粘度计中，流体向上爬的高度随位置的不同而不同，越近中心爬得越高。原来，这些高分子流体不仅具有粘性，而且具有弹性。它们在流动时不仅有切向应力（沿流动方向），还会产生法向应力（垂直于流动方向）。流体的弹性成分越大，其法向应力就越大，也就能往竿上爬得越高。不同的高分子流体，由于它们的分子量、分子量分布，以及流动速度不一样，弹性就不一样，爬竿的能力也就不一样。

过去的电线上面总是穿着一层纱包线，过程复杂、成本高、效果还不太好；韦森堡效应被发现后，人们利用它让赤裸的电线直接包裹上塑料，廉价、方便、安全、耐用。

在进行塑料挤出成型、橡胶拉片、纤维拉丝时出现的弹性记忆效应，是什么原因造成的呢？其实，高分子溶液或熔体的分子一般都是长链分子，由于它们的长度比它们的直径大得多，通常就像线团那样一团一团地蜷曲着。然而当这些完全不规则的胖胖的线团不得不通过模具的小孔时，由于体积不能变化，故只得把自己拉长（分子链被迫拉伸）；而一旦冲过模孔，它们便努力恢复自己原来自由松散的状态。武侠小说家领悟这一点可能比较深刻，在他们的作品中常有高手使用“缩骨功”，得以穿过本来无法与人身体相适应的孔洞，过后又重新恢复正常一样。

高分子流体的这种弹性恢复一般在0．02秒里就能完成。现代的科学手段进一步证实，它与法向应力之间也存在一定的关系。有了这些科学理论根据，人们就能更准确地制造高分子产品，把它们的尺寸控制在我们所要求的范围之中。

目前，流变学已在现代机械制造、冶金、地质勘探、化工生产、新材料设计等多个领域中起着指导作用。不过，新问题新现象也在不断涌现，比如有的高分子溶液会自动地爬上容器壁而流淌出去，气泡通过高分子溶液或熔体时会变成扁形、椭圆形等无法理解的形状。

流变学研究领域中，还有许许多多的谜等待着我们去揭开。随着流变学不断地向前发展，也将不断地指导有关的工业部门生产出最优质的产品。我们可以相信流变学的明天肯定是灿烂的绚丽多彩的。