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1 引言

    經(jīng)過幾十年深入細(xì)致的研究工作, 聚合物科學(xué)與工程已經(jīng)成為了一個成熟的領(lǐng)域，然而，在高分子物理的三大分支(結(jié)晶，玻璃化轉(zhuǎn)變和流變學(xué))中，還存在著巨大的挑戰(zhàn)，由于聚合物體系的鏈動力學(xué)和流變特性具有普適性，從分子角度研究聚合物流變學(xué)意義重大， 隨著20世紀(jì)70年代末期Doi- Edwards管形模型的出現(xiàn)，纏結(jié)聚合物流體流變特性的理論描述成為了現(xiàn)實。由于聚合物流變學(xué)理論和實驗的吻合， 多年來似乎已經(jīng)沒有能引起學(xué)者關(guān)注了。

    石油基通用高分子產(chǎn)品, 如熱塑性塑料和橡膠已經(jīng)成為傳統(tǒng)制造業(yè)的代表。許多世界著名的化工公司(如陶氏化學(xué)),，正在迅速甩掉他們的傳統(tǒng)核心業(yè)務(wù)，例如把聚烯烴產(chǎn)業(yè)賣給中東國家。中國面臨的主要競爭就來自于這些新對手。當(dāng)前形勢給中國帶來兩大問題：(1) 發(fā)達(dá)國家企業(yè)的產(chǎn)品技術(shù)含量高，通常這些企業(yè)的熱塑性塑料和橡膠更容易加工， 因此,這些來自于中東國家的熱塑性塑料和橡膠的性能、加工性及價格都更具競爭力，從而有可能取代中國市場的產(chǎn)品；(2) 什么樣的分子鏈結(jié)構(gòu)和分子量分布具有良好的性能，什么樣的聚合物具有優(yōu)異的加工性，諸如此類問題雖然很重要，但即便在發(fā)達(dá)國家，絕大多數(shù)此類問題仍有待解決。歐美國家生產(chǎn)的熱塑性塑料和橡膠也面臨加工困難的問題。西方國家將聚烯烴產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)給第三世界國家的同時也放棄了解決加工性難題的職責(zé)。照目前的趨勢，西方國家可能不再將科研經(jīng)費(fèi)投入到進(jìn)一步改善聚烯烴加工性的問題上。為了在激烈的全球市場競爭中占有一席之地，中國只有馬上做合理的投資才有可能將這些挑戰(zhàn)化轉(zhuǎn)為機(jī)遇。

    考慮到化學(xué)工業(yè)和聚合物產(chǎn)業(yè)的規(guī)模、正在壯大的中國經(jīng)濟(jì)規(guī)模以及來自擁有西方先進(jìn)技術(shù)的中東國家的激烈競爭，中國必須發(fā)展自己的聚烯烴和橡膠加工技術(shù)。對于傳統(tǒng)弱勢科研項目，即聚合物加工和流變學(xué)領(lǐng)域，中國需要投入新的更大的科研力量。

    流變學(xué)領(lǐng)域正在經(jīng)歷著深刻的變革，中國有必要抓住新形勢積極參與其進(jìn)一步的發(fā)展。下面我們先回顧一下聚合物流變領(lǐng)域的基本特征及最新發(fā)展。

    聚合物流變學(xué)是聚合物材料加工的基礎(chǔ)，它考慮的是最簡單模式的形變，如簡單剪切和單軸拉伸。倘若人們誤以為僅僅研究纏結(jié)聚合物的穩(wěn)態(tài)流動特性就足夠了，他們將會把流變學(xué)描述建立在均勻形變/流動的框架上，以為聚乙烯，聚丙烯，聚丁二烯和聚異戊二烯等常見高分子熔體都會在一個平均場中流動。的確，我們通常忽略初始響應(yīng)。而實際上，聚合物加工常涉及到瞬時響應(yīng)。 比如，聚合物熔體在加工過程中，在口模處被擠入一條狹窄流道，經(jīng)歷了快速變形。有必要弄清楚聚合物流體經(jīng)歷快速外部變形后的纏結(jié)狀態(tài)。邏輯上講，要了解穩(wěn)態(tài)流動必需考查其形成過程，因為迅速變形中的起始力學(xué)響應(yīng)絕不是流動。

    認(rèn)識到建立非線性纏結(jié)聚合物流唯象學(xué)的重要性，我們近期發(fā)展了粒子跟蹤測速(particle-tracking velocimetry-PTV)監(jiān)測手段。宏觀證據(jù)表明纏結(jié)聚合物流體有三種主要屈服變形模式：(i) 初始形變，(ii)大振幅震蕩剪切，(iii) 階躍應(yīng)變。纏結(jié)聚合物作為一種瞬態(tài)固體經(jīng)不起持續(xù)增長的彈性變形，而遭遇斷裂。纏結(jié)聚合物在快速的外部變形下，最終從彈性(可逆)形變轉(zhuǎn)為流動態(tài)(不可逆形變)。在這種屈服過程中，纏結(jié)結(jié)構(gòu)受非均勻破裂而發(fā)生隨后的流動，與教科書中的均勻變形假設(shè)不一致。

    觀測到階躍大應(yīng)變后的宏觀運(yùn)動是其中重大的發(fā)現(xiàn)之一。實驗證明由于鏈纏結(jié)產(chǎn)生的內(nèi)聚力可以被瞬時大變形所產(chǎn)生的彈性應(yīng)力破壞。這種彈性屈服現(xiàn)象表明有必要把纏結(jié)聚合物看做一個多鏈系統(tǒng)。以管形理論為基礎(chǔ)的單鏈平均場的描述似乎并不充分。至少管形理論既不能預(yù)測彈性屈服，也不能真實預(yù)知初始剪切時出現(xiàn)的剪切帶。文獻(xiàn)簡要討論了實驗上發(fā)現(xiàn)的纏結(jié)聚合物的流變行為與管形理論描述之間的差異。下面列舉聚合物流變學(xué)未來值得關(guān)注的研究方向。