淺談影響聚合物熔體流變行為的主要因素

王荷萍，曲善蓉，范杵蘭

（太原市塑料研究所，山西 太原 030024）

1 聚合物結構因素和其他組成成分對黏度的影響

聚合物的結構因素包括鏈結構和鏈的極性、分子量、分子量分布以及聚合物的組成等，對聚合物的黏度有明顯的影響。

聚合物的分子結構對黏度的影響較為復雜。一般來說，聚合物的鏈結構的極性使分子間的作用力增大，例如結晶聚合物和極性聚合物。分子間作用力大，黏度就高，反之則低。聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等的熔體年度要比聚乙烯、聚丙烯大得多。此外，聚合物分子結構不同，熔體黏度對溫度的敏感性也不同。剛性分子鏈對溫度比對柔性分子鏈敏感，因此提高其成型溫度有利于增加聚合物熔體的流動性。支鏈結構對黏度也有影響，又以長支鏈對黏度的影響最大。

聚合物分子量越大，流動時所受阻力也就越大，熔體黏度必然也就高。不同的成型方法對聚合物熔體黏度的要求不一樣，因此對分子量的要求也不同。通常注射成型要求聚合物的分子量較低，擠出成型則可吹塑成型所要求的分子量介于擠出成型和注射成型之間。

聚合物分子量分布對熔體黏度的影響，在不同剪切應力和不同剪切速率下表現不同，當分子量相同時，隨著剪切應力或剪切速率的增加，分子量分布寬的要比分子量分布窄的黏度下降快。實際生產中，塑料成型通常都在較高的剪切作用下進行，因此，分子量分布寬的聚合物熔體黏度小，容易流動，但會使制品的使用性能降低。為了提高產品質量，要減少聚合物中的低分子量部分，盡量使用分子量分布較窄的聚合物。

塑料在大多數情況下都是以聚合物為主的多組分體系，往往需要加入各種填充劑、增塑劑、潤滑劑、稀釋劑、著色劑、穩定劑和改性劑。這些添加物可以降低聚合物分子間的作用力，從而降低其熔體黏度，在不同程度上影響聚合物的流變行為。例如，擠出成型硬質聚氯乙烯管材時，使之與少量丙烯酸類樹酯共混，可提高擠出速度，改善管壁的外觀光澤。添加的增塑劑、潤滑劑等能明顯降低聚合物熔體黏度。有些很細的填充劑如亞硫酸鈣、二氧化硅等也能明顯降低熔體黏度，而有些填充劑如二氧化鈦卻會增加聚合物的熔體黏度。

2 溫度對黏度的影響

升高溫度可使聚合物大分子的熱運動和分子間的距離增加，從而降低熔體黏度。不同聚合物其熔體黏度對溫度變化的敏感性不完全相同。

一般來說，聚合物熔體黏度對溫度的敏感性要比剪切作用的敏感性強，雖然升高溫度可以使黏度降低，但過高的溫度卻會使聚合物降解，同時增加能量的消耗。熔體黏度對溫度變化非常敏感的聚合物，在生產中只要出現溫度變化，就會引起黏度較大的變化，使操作不穩定，影響產品質量，因此，控制適宜成型的溫度是十分重要的。

3 壓力對黏度的影響

由于聚合物熔體存在很多微小空穴，即所謂“自由體積”，因而具有可壓縮性。在成型過程中通常要受到自身的熔體靜壓力和外部壓力雙重作用，特別是外部壓力作用（一般可達10～300 MPa）可使聚合物自由體積減小，分子間距離減小、作用力增大，以致熔體黏度也隨之增加。塑料成型過程中壓力一般都比較高，例如擠出成型時機頭壓力一般為幾兆帕到幾十兆帕，注射成形時可達幾十甚至幾百兆帕，因此，聚合物熔體黏度會有較大增加，甚至在某些情況下能增加10倍以上。有時在一般壓力下容易成型的聚合物，當壓力增大過多時，會由于黏度的增加而導致成型困難。聚合物的可塑性不同，使熔體黏度對壓力的敏感性也不同。例如，當壓力從13.8 MPa升至17.3 MPa時，高密度聚氯乙烯和聚丙烯的熔體黏度增加4～7倍，而聚苯乙烯甚至可增加100倍，增加壓力引起黏度增大這一事實說明，單純靠增加壓力來提高塑料流量是不恰當的；過高的壓力還會造成過多的功率消耗和過大設備磨損。實際上，一種聚合物在正常的加工溫度范圍內，增加壓力和降低溫度對熔體黏度的影響有相似性，在這種成型過程中通過改變壓力或者溫度都能獲得同樣年度變化的效應稱為壓力-溫度等效應。例如，對于很多聚合物，壓力增大到1 000大氣壓，熔體黏度的變化相當于降低30～50℃的作用。

4 剪切速率對黏度的影響

大多數聚合物熔體屬于假塑性流體，其黏度隨剪切應力或剪切速率的增加而降低。不同聚合物熔體黏度的變化對剪切作用的敏感程度不同，例如聚甲醛和聚乙烯對剪切應力的變化要比尼龍和甲基丙烯酸甲酯敏感得多。

如果聚合物的熔體黏度對剪切作用很敏感，在操作中必須嚴格控制螺桿的轉速或壓力不變，否則，剪切速率的微小變化都會引起黏度的顯著改變，致使制品出現表現不良、充模不均、密度不勻或其他弊病。在擠出成型中，剪切速率不能過大，也就是螺桿的轉速不能超過一定的限度，否則，擠出物的外形會逐漸變得不規整，螺桿轉速越快，不規整現象越嚴重，甚至會使擠出物崩裂成一節節的小塊。

聚合物熔體黏度的大小直接影響塑料成型過程的難度。例如在注射成型過程中，某塑料溫度控制在其分解溫度以下，剪切速率為0.001 s時，熔體黏度為50～500 Pa/s，注射成型較容易。但如果黏度過大，就要求有較高的注射壓力，制品的大小受到限制，而且制品還容易出現缺陷；如果黏度過小，溢模現象嚴重，產品質量也不容易保證，在這種情況下，要求噴嘴有自鎖設置。在擠出、延壓和其他成型工藝中，也同樣要求聚合物有適宜的熔體黏度，黏度過大或過小都會給成型帶來困難。根據上述影響熔體黏度的各種因素分析，可按不同的聚合物選擇適當的工藝條件，使熔體黏度達到成型操作的要求。