徐 磊，郭文泰，于盛睿

（景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

引言

聚合物流體的拉伸流動(dòng)在聚合物工業(yè)生產(chǎn)過程中普遍存在，其拉伸流變特性嚴(yán)重影響著聚合物的紡絲[1]、吹膜[2]、吹塑成型[3]、發(fā)泡[4]等加工與成型工藝。通常，聚合物流體的拉伸流變特性可用拉伸黏度或特魯頓比值（拉伸黏度與剪切黏度之比）來表征。

聚氧化乙烯（PEO）是一種水溶性聚合物，其具有良好絮凝性和增稠性，被廣泛應(yīng)用于靜電紡絲法制備納米纖維[5]。Deitzel 等[6]認(rèn)為只有高黏度的聚合物溶液才能通過靜電力克服表面張力形成納米纖維。上述表明，掌握PEO 溶液的拉伸流變性能對(duì)于利用靜電紡絲工藝制備納米纖維十分重要。因此，眾多學(xué)者針對(duì)PEO 溶液的流變特性展開了研究。Hosseini 等[7]對(duì)PEO 溶液的剪切黏度進(jìn)行測(cè)量，認(rèn)為線性阻力法測(cè)量精度比Q 阻尼法更為準(zhǔn)確。Ahmad 等[8]討論穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)剪切流模式下的溶液剪切流變特性，發(fā)現(xiàn)PEO 溶液的流變行為不僅與材料本身有關(guān)，還與測(cè)量時(shí)間、轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定、剪切速率起始值和溶液制備過程等有關(guān)。由于聚合物溶液在拉伸過程中試樣界面容易變形破裂、拉力太小難以測(cè)量，上述研究主要聚焦于PEO 溶液的剪切流變特性，而對(duì)于PEO 溶液的拉伸流變特性鮮有涉及。

為了研究PEO 溶液的拉伸流變特性，本文通過單軸拉伸的方法，測(cè)量表征PEO 溶液的拉伸黏度和拉伸速率關(guān)系，并討論P(yáng)EO 溶液的特魯頓值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果有助于靜電紡絲法制備良好形貌的納米纖維，為進(jìn)一步研究其他聚合物溶液的拉伸流變特性提供了理論基礎(chǔ)和方法途徑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%和20%的PEO 水溶液。在拉伸力作用下，溶液的拉伸黏度μ 表示為式（1）。

式中：σE為拉伸應(yīng)力（即第一法向應(yīng)力差），Pa；為拉伸變形速率，s-1?？紤]到溶液在拉伸過程中加速度較小，慣性作用可省略。此時(shí)，溶液的拉伸應(yīng)力[11]與拉伸變形速率則分別為式（2）、式（3）。

式中：F 為拉伸黏性力，N；D 為液柱中間段的最小直徑，m；γ 為表面張力系數(shù)，N/m；ρ 為溶液密度，kg/L；g為重力加速度，N/kg；L 為圓盤距離，m；u 為瞬態(tài)速度。上式表明，通過測(cè)量拉力、液柱直徑、速度及圓盤距離，即可獲取拉伸黏度。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸黏度

根據(jù)拉伸流動(dòng)的基本原理，測(cè)量得到了PEO 溶液的拉伸黏度與拉伸變形速率的關(guān)系，如下頁圖1 所示。一方面，14%PEO 溶液和20%PEO 溶液都隨著拉伸變形速率的增加而減小。在總體上，PEO 溶液的拉伸黏度都隨著拉伸速率的增大而減小，呈現(xiàn)出明顯的拉伸變稀現(xiàn)象，且高濃度溶液的拉伸變稀現(xiàn)象更為顯著。另一方面，20%PEO 溶液的拉伸黏度遠(yuǎn)高于14%PEO 溶液的拉伸黏度。這表明PEO 溶液濃度越大，溶液里所含的大分子數(shù)量增多，導(dǎo)致溶液抵抗拉伸變形的能力越強(qiáng)，從而表現(xiàn)出較高的拉伸黏度[9]。

圖1 PEO 溶液的拉伸黏度-拉伸速率關(guān)系

2.2 特魯頓值

PEO 溶液的剪切黏度與剪切變形速率的關(guān)系如圖2 所示。在剪切速率接近0 s-1的低剪切速率端，14%PEO 溶液的剪切黏度約為42 Pa·s，20%PEO 溶液的剪切黏度約為201 Pa·s。但是在剪切速率約為37 s-1的高剪切率端，14%PEO 溶液的剪切黏度約為13 Pa·s，而20%PEO 溶液的剪切黏度約為36 Pa·s。上述表明，PEO 溶液的剪切黏度也隨著剪切速率的增大而減小，呈現(xiàn)出剪切變稀的現(xiàn)象。這是由于在剪切作用下，大分子之間的瞬間締合發(fā)生了“解聚”或者叫固定的顆粒團(tuán)簇被破壞造成的[10]。

圖2 PEO 溶液的剪切黏度-剪切速率關(guān)系

利用拉伸黏度與剪切黏度之間的關(guān)系，可得到PEO 溶液特魯頓值的分布，如圖3 所示?？傮w上，PEO溶液的特魯頓值隨速率的增大先增大后減小。在速率為0 s-1～8 s-1的范圍內(nèi)，14%PEO 溶液的特魯頓值大約為4.3～5.5；而在速率為8 s-1～37 s-1的范圍內(nèi)，14%PEO 溶液的特魯頓值約為5.5～1.8；在速率為0 s-1～10 s-1的范圍內(nèi)，20%PEO 溶液的特魯頓值大約為3.3～5.9；而在速率為10 s-1～37 s-1的范圍內(nèi)，20%PEO 溶液的特魯頓值約為5.9～2.5。這說明隨著變形速率的逐漸增大，PEO 溶液抵抗剪切變形的能力先減弱后增強(qiáng)，而抵抗拉伸變形的能力先增強(qiáng)后減弱。特別地，當(dāng)變形速率為31 s-1時(shí)，14%PEO 溶液的特魯頓值為3；而在變形速率為34 s-1時(shí)，20%PEO 溶液的特魯頓值為3。當(dāng)變形速率較低時(shí)（特魯頓值＞3），拉伸流變的作用比剪切流變的作用顯著。而當(dāng)變形速率較高時(shí)（特魯頓值＜3），PEO 溶液的剪切流變作用比拉伸流變作用重要。同時(shí)注意到，在變形速率6～37 s-1的范圍內(nèi)，20%PEO 溶液的特魯頓值大于14%PEO 溶液的特魯頓值。這說明在PEO 溶液的變形過程中，溶液濃度越大拉伸性能所占的主導(dǎo)性越高。這是由于，隨著溶液濃度的增加，溶液中增加的大分子增強(qiáng)了其對(duì)于形變的抵抗能力，其中對(duì)拉伸形變的抵抗要比對(duì)剪切形變的抵抗更加顯著[12]。

圖3 PEO 溶液特魯頓比-速率關(guān)系

3 結(jié)論

1）采用單軸拉伸原理可實(shí)現(xiàn)PEO 溶液拉伸流變特性的測(cè)量與表征。

2）PEO 溶液的拉伸黏度隨著變形速率的增大而減小，呈現(xiàn)拉伸變稀的現(xiàn)象。

3）PEO 溶液的特魯頓值隨著變形速率的增大先增大后減小。低變形速率下，PEO 溶液的拉伸流變性能占主導(dǎo)地位。

4）為研究其他聚合物溶液拉伸流變特性提供了理論與實(shí)踐參考，特別是對(duì)于靜電紡絲法制備納米纖維，引入拉伸黏度這一參數(shù)有助于制備良好形貌的納米纖維，這也將是本文進(jìn)一步的研究方向。