黏度及其影響因素

從分子運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)看，聚合物熔體的粘度由兩方面因素決定：一是聚合物熔體內(nèi)的自由體積，二是大分子之間的纏結(jié)。自由體積是聚合物中未被聚合物占領(lǐng)的空隙，它是大分子鏈段進(jìn)行擴(kuò)散的場所，凡是能引起自由體積增加的因素均能使聚合物的粘度降低。高分子鏈之間的纏結(jié)增大內(nèi)摩擦，凡引起纏結(jié)密度增加的因素，都會(huì)使分子鏈的運(yùn)動(dòng)變得困難，使熔體粘度增加。

從宏觀角度看，影響聚合物熔體粘度的因素主要有溫度、壓力、剪切速率、分子結(jié)構(gòu)及分子量等，這些影響因素之間又存在著互相影響的關(guān)系。

a)溫度對(duì)黏度的影響

溫度升高時(shí)，聚合物熔體中的自由體積增加，因此粘度隨著溫度的升高而下降。在溫度遠(yuǎn)高于玻璃化溫度 （ ℃）的情況下，熔體粘度與溫度的關(guān)系可用阿累尼烏絲(Arrhenius)方程表示:

（2-3）

式中：

ηa——表觀黏度，Pas；

η0——零剪切黏度，Pas；

R——?dú)怏w常數(shù)，8.314 Jmol-1K-1；

T——絕對(duì)溫度,K；

——粘流活化能，kJmol-1。

不同聚合物的粘流活化能不同，其黏度對(duì)溫度的敏感性也不同，粘流活化能較大，溫度的變化對(duì)熔體粘度的影響就比較顯著。各種塑料的黏流活化能在5～30 kJmol-1之間。

b)剪切速率對(duì)黏度的影響

相對(duì)分子質(zhì)量較高的材料通常比相對(duì)分子質(zhì)量較低的同一材料表現(xiàn)出更明顯的假塑性，這表明聚合物流動(dòng)時(shí)的非牛頓行為是隨相對(duì)分子質(zhì)量增加而增強(qiáng)的。在高剪切速率下，熔體的粘度值可能比低剪切速率下的粘度值小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。UHMPWE熔體的黏度對(duì)剪切速率很敏感，有很強(qiáng)的非牛頓性，其非牛頓指數(shù)近于零。

c)壓力對(duì)黏度的影響

聚合物熔體中存在自由體積，使其具有一定的可壓縮性。當(dāng)壓力作用使得聚合物中的自由體積減小時(shí)，大分子鏈段活動(dòng)范圍減小，分子間的作用力增加，導(dǎo)致熔體的粘度增加。例如，當(dāng)LDPE中壓力由1大氣壓升高到100Mpa時(shí)表觀黏度增加了2.5倍。由于聚合物的可壓縮性不同，其黏度對(duì)壓力的敏感性也不同。增壓引起黏度增加這一事實(shí)說明，單純通過增大壓力來提高產(chǎn)量是不恰當(dāng)?shù)摹?/p>

d)相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)黏度的影響

聚合物相對(duì)分子質(zhì)量增大，不同鏈段偶然位移相互抵消的機(jī)會(huì)增多，因而分子鏈重心移動(dòng)減慢，要完成流動(dòng)過程就需要更長的時(shí)間和更多的能量，所以聚合物熔體的黏度隨相對(duì)分子質(zhì)量增加而增大。

聚合物熔體的零切粘度η0與重均分子量之間有如下關(guān)系：

（2-4）

式中：K是取決于聚合物的性質(zhì)和溫度的實(shí)驗(yàn)常數(shù)； 為與聚合物有關(guān)的指數(shù)，當(dāng) 時(shí)，對(duì)大多數(shù)聚合物 ； 是物料的重均分子量， 是臨界分子量。