浅谈影响聚合物熔体流变行为的主要因素

王荷萍，曲善蓉，范杵兰

（太原市塑料研究所，山西 太原 030024）

1 聚合物结构因素和其他组成成分对黏度的影响

聚合物的结构因素包括链结构和链的极性、分子量、分子量分布以及聚合物的组成等，对聚合物的黏度有明显的影响。

聚合物的分子结构对黏度的影响较为复杂。一般来说，聚合物的链结构的极性使分子间的作用力增大，例如结晶聚合物和极性聚合物。分子间作用力大，黏度就高，反之则低。聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等的熔体年度要比聚乙烯、聚丙烯大得多。此外，聚合物分子结构不同，熔体黏度对温度的敏感性也不同。刚性分子链对温度比对柔性分子链敏感，因此提高其成型温度有利于增加聚合物熔体的流动性。支链结构对黏度也有影响，又以长支链对黏度的影响最大。

聚合物分子量越大，流动时所受阻力也就越大，熔体黏度必然也就高。不同的成型方法对聚合物熔体黏度的要求不一样，因此对分子量的要求也不同。通常注射成型要求聚合物的分子量较低，挤出成型则可吹塑成型所要求的分子量介于挤出成型和注射成型之间。

聚合物分子量分布对熔体黏度的影响，在不同剪切应力和不同剪切速率下表现不同，当分子量相同时，随着剪切应力或剪切速率的增加，分子量分布宽的要比分子量分布窄的黏度下降快。实际生产中，塑料成型通常都在较高的剪切作用下进行，因此，分子量分布宽的聚合物熔体黏度小，容易流动，但会使制品的使用性能降低。为了提高产品质量，要减少聚合物中的低分子量部分，尽量使用分子量分布较窄的聚合物。

塑料在大多数情况下都是以聚合物为主的多组分体系，往往需要加入各种填充剂、增塑剂、润滑剂、稀释剂、着色剂、稳定剂和改性剂。这些添加物可以降低聚合物分子间的作用力，从而降低其熔体黏度，在不同程度上影响聚合物的流变行为。例如，挤出成型硬质聚氯乙烯管材时，使之与少量丙烯酸类树酯共混，可提高挤出速度，改善管壁的外观光泽。添加的增塑剂、润滑剂等能明显降低聚合物熔体黏度。有些很细的填充剂如亚硫酸钙、二氧化硅等也能明显降低熔体黏度，而有些填充剂如二氧化钛却会增加聚合物的熔体黏度。

2 温度对黏度的影响

升高温度可使聚合物大分子的热运动和分子间的距离增加，从而降低熔体黏度。不同聚合物其熔体黏度对温度变化的敏感性不完全相同。

一般来说，聚合物熔体黏度对温度的敏感性要比剪切作用的敏感性强，虽然升高温度可以使黏度降低，但过高的温度却会使聚合物降解，同时增加能量的消耗。熔体黏度对温度变化非常敏感的聚合物，在生产中只要出现温度变化，就会引起黏度较大的变化，使操作不稳定，影响产品质量，因此，控制适宜成型的温度是十分重要的。

3 压力对黏度的影响

由于聚合物熔体存在很多微小空穴，即所谓“自由体积”，因而具有可压缩性。在成型过程中通常要受到自身的熔体静压力和外部压力双重作用，特别是外部压力作用（一般可达10～300 MPa）可使聚合物自由体积减小，分子间距离减小、作用力增大，以致熔体黏度也随之增加。塑料成型过程中压力一般都比较高，例如挤出成型时机头压力一般为几兆帕到几十兆帕，注射成形时可达几十甚至几百兆帕，因此，聚合物熔体黏度会有较大增加，甚至在某些情况下能增加10倍以上。有时在一般压力下容易成型的聚合物，当压力增大过多时，会由于黏度的增加而导致成型困难。聚合物的可塑性不同，使熔体黏度对压力的敏感性也不同。例如，当压力从13.8 MPa升至17.3 MPa时，高密度聚氯乙烯和聚丙烯的熔体黏度增加4～7倍，而聚苯乙烯甚至可增加100倍，增加压力引起黏度增大这一事实说明，单纯靠增加压力来提高塑料流量是不恰当的；过高的压力还会造成过多的功率消耗和过大设备磨损。实际上，一种聚合物在正常的加工温度范围内，增加压力和降低温度对熔体黏度的影响有相似性，在这种成型过程中通过改变压力或者温度都能获得同样年度变化的效应称为压力-温度等效应。例如，对于很多聚合物，压力增大到1 000大气压，熔体黏度的变化相当于降低30～50℃的作用。

4 剪切速率对黏度的影响

大多数聚合物熔体属于假塑性流体，其黏度随剪切应力或剪切速率的增加而降低。不同聚合物熔体黏度的变化对剪切作用的敏感程度不同，例如聚甲醛和聚乙烯对剪切应力的变化要比尼龙和甲基丙烯酸甲酯敏感得多。

如果聚合物的熔体黏度对剪切作用很敏感，在操作中必须严格控制螺杆的转速或压力不变，否则，剪切速率的微小变化都会引起黏度的显著改变，致使制品出现表现不良、充模不均、密度不匀或其他弊病。在挤出成型中，剪切速率不能过大，也就是螺杆的转速不能超过一定的限度，否则，挤出物的外形会逐渐变得不规整，螺杆转速越快，不规整现象越严重，甚至会使挤出物崩裂成一节节的小块。

聚合物熔体黏度的大小直接影响塑料成型过程的难度。例如在注射成型过程中，某塑料温度控制在其分解温度以下，剪切速率为0.001 s时，熔体黏度为50～500 Pa/s，注射成型较容易。但如果黏度过大，就要求有较高的注射压力，制品的大小受到限制，而且制品还容易出现缺陷；如果黏度过小，溢模现象严重，产品质量也不容易保证，在这种情况下，要求喷嘴有自锁设置。在挤出、延压和其他成型工艺中，也同样要求聚合物有适宜的熔体黏度，黏度过大或过小都会给成型带来困难。根据上述影响熔体黏度的各种因素分析，可按不同的聚合物选择适当的工艺条件，使熔体黏度达到成型操作的要求。