聚合物特征流動(dòng)現(xiàn)象（一）
所有教科書上都寫道：流變學(xué)是關(guān)于物質(zhì)流動(dòng)和形變的科學(xué)。但是關(guān)于粘性流體和彈性固體的力學(xué)發(fā)展已久，可以追溯到300年前牛頓和虎克的工作。流變學(xué)之所以在半世紀(jì)前應(yīng)運(yùn)而生并得到蓬勃發(fā)展，是因?yàn)楝F(xiàn)代工業(yè)與工程技術(shù)所接觸的大量物質(zhì)和發(fā)現(xiàn)的越來越多的自然界物質(zhì)既非虎克固體又非牛頓流體，它們?cè)谕饬ψ饔孟鲁尸F(xiàn)奇特而復(fù)雜的形變和流動(dòng)特性。因此流變學(xué)是研究復(fù)雜流變性物質(zhì)的科學(xué)，其中*大的一類就是高分子物質(zhì)。下面我們以一些*簡單的實(shí)驗(yàn)來舉例說明高分子流體與牛頓流體的定性差別
1.管流與剪切變稀現(xiàn)象
圖1．1所示垂直雙管中分別放置牛頓流體（N）（例如甘油的水溶液），和高分子溶液（P）（例如聚丙烯酰胺水溶液）。t1時(shí)液面相平。打開下閥使流體流出。t2時(shí)P流得較快，液面低于N，但當(dāng)管中只剩下少量液體的t3時(shí)，N液面低于P并且先流空。這現(xiàn)象的解釋是：高液位的高剪切應(yīng)力下高分子溶液由于剪切變稀，粘度變得比N小，液面下降較快。但隨著液面下降，剪切力變小，使
P的粘度超過N,下降變慢，*后反而遲流完。
2.爬桿現(xiàn)象和法向應(yīng)力
上述流體分別放在燒壞中，以桿插入并旋轉(zhuǎn)，如圖1.2所示。受離心力作用，流體N液面向內(nèi)凹，但對(duì)流體P，液面卻呈凸起形，順著旋轉(zhuǎn)桿往上爬。這種爬桿現(xiàn)象也成為魏森伯（Weissenberg）效應(yīng)。若將流體P置于兩個(gè)圓盤間，當(dāng)下盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，上盤受到一個(gè)向上的推力，這個(gè)力與流動(dòng)平面垂直（法向），稱為法向應(yīng)力。（圖1.2b）魏森伯效應(yīng)是一種法向應(yīng)力效應(yīng)。若在上盤的不同直徑處插一列細(xì)管（圖1.2c），流體受剪切時(shí)，位于中間的細(xì)管的液面高于周圍，這反映了法向應(yīng)力的分布情況。初學(xué)者往往覺得法向應(yīng)力效果難以捉摸，這里介紹一個(gè)有用的直觀理解，即流線總傾向于縮短。在旋轉(zhuǎn)時(shí)流線呈一組同心圓圈，在剪切場(chǎng)中它們被拉伸了，總是象橡皮圈似的傾向于縮短。流線縮短產(chǎn)生的橫向力就是法向應(yīng)力?；诖瞬浑y理解上述三種現(xiàn)象。由此我們甚至還可以設(shè)計(jì)一種泵，如圖1.2d所示。它的輸運(yùn)方向與普通離心泵正好相反。
3.孔壓誤差
在管流或狹縫流道中如圖1.3安置兩個(gè)壓力傳感器。對(duì)牛頓流體P=PH，對(duì)粘彈流體則有PH<P。該效應(yīng)使得傳統(tǒng)流體力學(xué)中所采用的在流道中從測(cè)點(diǎn)引出管子測(cè)壓的方法有顯著誤差，因此稱為孔壓誤差。該效應(yīng)可理解為：由于孔上方流線下凹，粘彈流體有流線收縮從孔中拉出的傾向而產(chǎn)生向上合力，該力與液壓相抵使PH值減小，因此這也是法向應(yīng)力效應(yīng)的結(jié)果，后來被用來測(cè)定法向應(yīng)力差。
4.同心套管軸向流和彎曲狹縫流
在圖1.4a所示的套管中，由于內(nèi)外觀的曲率不同，對(duì)粘彈流體PA>PB。以后我們將知道，這是**法向應(yīng)力差的效果。對(duì)牛頓流體比PA=PB。如果流體沿著曲率方向流動(dòng)，如圖1.4b所示，則外壁壓力將小于內(nèi)壁，可以想象這是流線傾向于縮短的結(jié)果。因此，這是**法向應(yīng)力差的效果，也被用來測(cè)定法向應(yīng)力差。
5.各種次級(jí)流動(dòng)
在圖1.5所示的各種流場(chǎng)中，在作為主要的旋轉(zhuǎn)流或軸流上疊加了一個(gè)附帶的流動(dòng)稱為次級(jí)流動(dòng)。對(duì)牛頓流體，旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力是產(chǎn)生次級(jí)流動(dòng)的原因。而聚合物流體中次級(jí)流動(dòng)往往采取相反的方向?？紤]到法向應(yīng)力差引起的流線縮短的效應(yīng)，圖a-c的次級(jí)流動(dòng)圖象就變得可以理解。圖d中橢圓管中次級(jí)流動(dòng)是由管壁曲率不等引起**法向應(yīng)力差造成的，類似圖1.4a中的情況。
6.擠出脹大和彈性回復(fù)
擠出物直徑和擠出口直徑之比B稱為擠出脹大比。對(duì)牛頓流體，它依賴于雷諾數(shù)，其值約在0.88-1.12之間。而對(duì)高分子熔體或濃溶液，B值大得多，稱為Barus效應(yīng)。尤其對(duì)短噴口，B可超過10，表現(xiàn)出要恢復(fù)進(jìn)人收縮口前形狀的傾向。當(dāng)突然停止擠出，并剪斷擠出物，擠出物發(fā)生回縮（圖1.6）。可稱為彈住回復(fù)。其實(shí)即使擠出毛細(xì)管很長，擠出物脫離噴口后也會(huì)變粗，這是未松弛的法向應(yīng)力促使流線收縮的結(jié)果。由此也看出法向應(yīng)力差效應(yīng)是一種彈性效應(yīng)。