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挑战与机遇:聚合物流变学在中国的前途
2010-04-13  来源:中国流变网

2 线性黏弹性

    在聚合物线性黏弹性(LVE)中适用的其中一个原理是时温等效性,该原理是WLF(Williams,Landel,Ferry)在1955 年发现的。后续的研究发现终端(terminal)松弛动力学与链段动力学不同,而与WLF方程相违背。这样的发现从本质上挑战了包括管形理论在内的所有标准动力学模型。终端松弛动力学为何与链段动力学不同? 由此体现了流变学(流体的力学行为)和玻璃化转变(玻璃态物理学)间的关系。要得到一个统一的描述可适用于这两个相关领域中,还有许多工作需要做。

    经典橡胶弹性理论是聚合物流变学的基础。在高温下,我们可以假定外部形变的主要力学响应是由熵变引起的分子链内构象变化。温度下降后,分子链间的相互作用起主导作用。描述链间相互作用力是一种理论上极具挑战性的课题。

    尽管对线性黏弹性的研究我们有可靠的唯象基础(即只涉及均匀形变),单链平均场,如管形理论对缠结链动力学的描述是否真实仍然不得而知。要通过实验阐明任何线性黏弹性都需要用一个多链图像来解释,乃是一个巨大的挑战。Lodge对单链管形模型的质疑仍然没有得到解答。我认为,缠结聚合物分子链的质心能在应力释放后回到起初点,确实需要考虑网络的效应,而非单链图像所能描述。

3 非线性响应

    近来以PTV 方法为基础的实验揭示的聚合物流变现象学已经改变了我们思考聚合物流体非线性黏弹性的方式。我们对于链缠结的认识也已经更加清晰了。现在或许可以更容易理解为什么至今还没有研究出一种直接实验测定聚合物链缠结的方法。由于非交叉性,即由于链缠结,一条分子链不可能在短时间绕过周围其他分子链。在缠结良好的平衡态聚合物流体中,任何一个分子链均需等待无规热扩散将其位移从而绕过周围的分子链。依照de Gennes,这种扩散过程需要花费一个解脱(disengagement)的时间τd. 在平衡态中缠结一直存在,任何一条链只有经过时间τd,才可以自行解脱而后进入新的缠结态。唯一已知的探测“缠结”的实验途径是寻找这种非交叉性的所导致的可观测的直接效应。在突然的初始变形过程中或之后,如果一条分子链被迫绕过另一条链所需的时间远小于τd,则我们可以认为缠结被迫“解开”了。

    最新的研究成果揭示定量分析缠结链中拓扑关系的变化是有价值的,缠结链中的拓扑关系可能会在快速(连续)的变形导致的屈服后发生变化。这一变化至少产生两个可能观测到的效应:(1) 分子间相互作用减弱,(2) 聚合物结晶动力学速率可能会改变。那么高分子流变学这个领域会向何方向发展? 目前我们看到的只是冰山的一角,还需要这一领域的研究者进一步深入探讨。

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