拉伸流动与拉伸粘度

出处：按学科分类—工业技术 中国轻工业出版社《塑料挤出制品生产工艺手册》第8页（1593字）

如果引起塑料熔体流动不是剪切应力而是拉伸应力时，则这种流动称为拉伸流动。在聚合物纺丝过程中，液体离开喷丝板形成原生纤维的过程就是拉伸流动的过程，如图1－10。

图1－10 纺丝过程中的拉伸流动和剪切流动

由图1－10可知，在拉伸流动过程中，速度梯度的方向与流动方向是一致的。拉伸流动的概念可由图1－11表示，图中A、B所示为一个液体流动单元的两个质点。A₁、B₁由位(a)变至位(b)时的情况(即原距离为AB因拉伸应力的作用而变至A₁B₁)。

图1－11 拉伸流动示意图

设AB原长为l₀，拉伸后的长度A₁B₁为l，则拉伸应变的表达式如下：

令A=l／l₀，则ε=lnA。

式中：A称为拉伸比(亦称拉伸倍数)。因此，拉伸应变速率(简称〈拉伸速率〉)的表达式为：

ε(dε)／(dt) (1－15)

由于拉伸应力(σ)正比于拉伸速率(ε)，即σ∞ε，引入比例系数，即为

σ=η_a·ε(或η_a=σ／ε) (1－16)

式中 η_a——拉伸粘度。

就单轴拉伸情况而言，与剪切流的情况类似，拉伸粘度(η_a)的大小与拉伸应力(σ)的关系也有三种情况。第一种，对牛顿性液体，拉伸粘度不受拉伸应力的影响，λ是常数，λ的值一般为剪切粘度的3倍。第二种，拉伸粘度随拉伸应力的增加而上升，简言之为拉伸增稠。第三种，拉伸粘度随拉伸应力的增加而下降，简言之为拉伸变稀。由于目前对拉伸流动的研究尚欠深入，故暂时还没有定量的方程式来描述该液体拉伸时的流变行为。几种热塑性聚合物材料的拉伸应力－拉伸粘度的实测曲线见图1－12。

图1－12 几种热塑性聚合物熔体在常压下λ－σ的关系

1－LDPE(170℃) 2－乙－丙共聚物(230℃) 3－PMMA(250℃) 4－－POM(200℃) 5－PA66(285℃)

从图1－12中可以看出，有些塑料材料的拉伸粘度没有变化，甚至在拉伸应力很高时也没有变化；而有些材料却随拉伸应力的增大出现上升(或下降)，其原因目前还不清楚。将图1－12与图1－5进行比较，就可以发现，在剪切应力作用下，熔体的表观粘度随剪切应力增大而下降的材料，在拉伸应力作用下其熔体的表观粘度就不一定随拉伸应力的增大而下降。

塑料熔体在拉伸应力作用下，表观粘度的变化规律对实际生产有一定的指导意义。在拉伸成型工艺中，应该选用表观粘度不随拉伸应力变化的或选用拉伸增稠的材料，才能使生产过程连续顺利地进行。在一般情况下，不宜选用拉伸变稀的材料。即使要选用拉伸变稀的材料，则也要选用拉伸粘度随拉伸应力增大而下降程度很小的材料。

工业生产中用作拉伸成型的高分子材料有HDPE、PP、PA66、PET等，这几种材料在剪切应力的作用下，其流变行为均为假塑性；而PA66在拉伸应力的作用下，其拉伸粘度并不随拉伸应力的变化而变化，而乙－丙共聚物具有拉伸变稀的特性，故工业生产中往往不用其进行拉伸成型。

对于双向拉伸的情况，聚合物材料拉伸粘度与拉伸应力的关系则研究得更少；如果某材料的拉伸粘度不随拉伸应力的变化而变化，两个方向拉伸程度又是相等的情况下，则双向拉伸粘度为剪切粘度的6倍。