聚合物特征流动现象（一）
所有教科书上都写道：流变学是关于物质流动和形变的科学。但是关于粘性流体和弹性固体的力学发展已久，可以追溯到300年前牛顿和虎克的工作。流变学之所以在半世纪前应运而生并得到蓬勃发展，是因为现代工业与工程技术所接触的大量物质和发现的越来越多的自然界物质既非虎克固体又非牛顿流体，它们在外力作用下呈现奇特而复杂的形变和流动特性。因此流变学是研究复杂流变性物质的科学，其中*大的一类就是高分子物质。下面我们以一些*简单的实验来举例说明高分子流体与牛顿流体的定性差别1.管流与剪切变稀现象
图1．1所示垂直双管中分别放置牛顿流体（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时液面相平。打开下阀使流体流出。t2时P流得较快，液面低于N，但当管中只剩下少量液体的t3时，N液面低于P并且先流空。这现象的解释是：高液位的高剪切应力下高分子溶液由于剪切变稀，粘度变得比N小，液面下降较快。但随着液面下降，剪切力变小，使
P的粘度超过N,下降变慢，*后反而迟流完。
2.爬杆现象和法向应力
上述流体分别放在烧坏中，以杆插入并旋转，如图1.2所示。受离心力作用，流体N液面向内凹，但对流体P，液面却呈凸起形，顺着旋转杆往上爬。这种爬杆现象也成为魏森伯（Weissenberg）效应。若将流体P置于两个圆盘间，当下盘旋转时，上盘受到一个向上的推力，这个力与流动平面垂直（法向），称为法向应力。（图1.2b）魏森伯效应是一种法向应力效应。若在上盘的不同直径处插一列细管（图1.2c），流体受剪切时，位于中间的细管的液面高于周围，这反映了法向应力的分布情况。初学者往往觉得法向应力效果难以捉摸，这里介绍一个有用的直观理解，即流线总倾向于缩短。在旋转时流线呈一组同心圆圈，在剪切场中它们被拉伸了，总是象橡皮圈似的倾向于缩短。流线缩短产生的横向力就是法向应力。基于此不难理解上述三种现象。由此我们甚至还可以设计一种泵，如图1.2d所示。它的输运方向与普通离心泵正好相反。
3.孔压误差
在管流或狭缝流道中如图1.3安置两个压力传感器。对牛顿流体P=PH，对粘弹流体则有PH<P。该效应使得传统流体力学中所采用的在流道中从测点引出管子测压的方法有显著误差，因此称为孔压误差。该效应可理解为：由于孔上方流线下凹，粘弹流体有流线收缩从孔中拉出的倾向而产生向上合力，该力与液压相抵使PH值减小，因此这也是法向应力效应的结果，后来被用来测定法向应力差。
4.同心套管轴向流和弯曲狭缝流
在图1.4a所示的套管中，由于内外观的曲率不同，对粘弹流体PA>PB。以后我们将知道，这是**法向应力差的效果。对牛顿流体比PA=PB。如果流体沿着曲率方向流动，如图1.4b所示，则外壁压力将小于内壁，可以想象这是流线倾向于缩短的结果。因此，这是**法向应力差的效果，也被用来测定法向应力差。
5.各种次级流动
在图1.5所示的各种流场中，在作为主要的旋转流或轴流上叠加了一个附带的流动称为次级流动。对牛顿流体，旋转时的离心力是产生次级流动的原因。而聚合物流体中次级流动往往采取相反的方向。考虑到法向应力差引起的流线缩短的效应，图a-c的次级流动图象就变得可以理解。图d中椭圆管中次级流动是由管壁曲率不等引起**法向应力差造成的，类似图1.4a中的情况。
6.挤出胀大和弹性回复
挤出物直径和挤出口直径之比B称为挤出胀大比。对牛顿流体，它依赖于雷诺数，其值约在0.88-1.12之间。而对高分子熔体或浓溶液，B值大得多，称为Barus效应。尤其对短喷口，B可超过10，表现出要恢复进人收缩口前形状的倾向。当突然停止挤出，并剪断挤出物，挤出物发生回缩（图1.6）。可称为弹住回复。其实即使挤出毛细管很长，挤出物脱离喷口后也会变粗，这是未松弛的法向应力促使流线收缩的结果。由此也看出法向应力差效应是一种弹性效应。