.isl0053360A.04.0卫 1000-08 PLASTICS S黑料，科VOLOGY 3 塑料材料粘弹性的哲学认识 周华民，李德群 (华中理工大学模具技术国家重点实验室，湖北武汉430074 摘要粘弹性是塑料材料最为突出的力学特性.本文从哲学层面讨论了塑料的结构、性能及理论的实质 关键词塑料材料粘弹性哲学认识 1引言 据已知对象的内部结构来推测预见对象的性能也可 以根据已知对象的性能来推测预见对象的结构从而 塑料材料是近几十年发展起来的新兴材料，而兼 结合人们的需要，利用加工成型条件，或改变结构、或 有弹性固体的纯弹性与小分子液体的纯粘性的粘弹性 是塑料材料最为突出的特性，这种粘弹性无论在理论 改变性能实现人们充分利用和改造自然的目的， 上还是在实验上都极其复杂，目前还没有简单的力学 3 弹性形变和粘性流动的有机统 模型来精确地描述其行为·，从哲学层面上对塑料的 粘弹性现象进行本质的深层次的探讨，有助于更深刻 在传统的观念中，固体毫无疑问是弹性的，流体是 地理解认识这一特性。 粘性的。但仔细观察许多自然现象时，你也许会发现几 乎自然界所有的物体同时兼有弹性和粘性。象水这样 2结构、性能和成型条件的辩证关系 典型的牛领流体，跳水运动员在刹那间却能感到它的 形态结构与物理性能是塑料材料的两个基本属 弹性阻力.现代地球物理和地质学研究不但证明了万 性，它们之间的联系复杂多样、相互制约2习。一方面。 物皆流，而且也说明了流动现象对观察时间尺度的意 结构决定性能。塑料材料的形态结构错综复杂，结构不 义.象岩石这样在普通概念中勿庸置疑的固体也是能 形变和流动的物质，只不过它的国刚度极大(105达因 同.性能也不同，如品态结构的弹性、拉力、韧性就不如 非晶态结构.而微观结构对性能的影响却是统计学上 米2量级).粘度极高(102泊量级)和松驰时间极长(103 的综合表现对其深入定量考察是目前研究的热点。 另 年量级)罢了，沟通固体和流体力学响应之间的界限是 一方面，性能又具有相对独立性，性能反映结构，又反 人类思相史在流变材料观上的充分反映 作用于结构，性能的反作用说明性能与结构之间是既 粘性和弹性是材料属性不可分割的两个方面，在 相适应、又相矛盾的统一体，相对保守的结构要支配控 不同的观察时间尺度上它们相互依存和相互转化人 制性能，而相对活跃的性能在环境影响下的变异又反 们对弹性和粘性的逐步观察和认识，促进了塑料流变 过来影响结构，引起结构变化，甚至突破原有结构的束 学的产生和发展，不同于一般的弹性固体（如金属 缚.两者的对立统一是塑料材料逐渐失效的原因所在， 及低分子流体，塑料材料的突出特点是弹性和粘性的 又是我们不断优化材料结构与性能的依据， 共存性表现得比较突出，其粘弹性对实验条件（应力、 在一定条件下，结构与性能的相互转化可通过改 温度和观察时间)非常敏感，同一材料兼有固体和流体 恋成型加工条件来实现根据材料的形态结构，洗择合 两种状态的力学行为，如欧洲某些古教堂窗户上的玻 理的成型加工条件可以获得所需的特定性能；同时，根 璃上薄下厚。显然，这种材料的力学性能规律与经典的 据材料的己知性能选择适当的加工成型条件又可以 力学理论相背离。麦斯韦1868年发现松驰现象及粉 引起材料结构的变化，在应用中，从结构决定性能、性 驰时间概念的建立使描述纯弹性与纯粘性的经典力学 能反映结构又作用于结构的基本原则出发，既可以根 理论向更接近实际的粘弹性唯象理论迈进了一大步。 ina Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.hup://www.cnki.net
塑料材料粘弹性的哲学认识 周华民, 李德群 (华中理工大学模具技术国家重点实验室 ,湖北 武汉 430074) 摘 要 粘弹性是塑料材料最为突出的力学特性, 本文从哲学层面讨论了塑料的结构、性能及理论的实质。 关键词 塑料材料 粘弹性 哲学认识 收稿日期 1999-03-31 1 引言 塑料材料是近几十年发展起来的新兴材料 , 而兼 有弹性固体的纯弹性与小分子液体的纯粘性的粘弹性 是塑料材料最为突出的特性。这种粘弹性无论在理论 上还是在实验上都极其复杂, 目前还没有简单的力学 模型来精确地描述其行为[ 1] , 从哲学层面上对塑料的 粘弹性现象进行本质的深层次的探讨, 有助于更深刻 地理解认识这一特性 。 2 结构、性能和成型条件的辩证关系 形态结构与物理性能是塑料材料的两个基本属 性,它们之间的联系复杂多样、相互制约[ 2 , 3] 。一方面 , 结构决定性能。塑料材料的形态结构错综复杂 ,结构不 同,性能也不同 ,如晶态结构的弹性、拉力、韧性就不如 非晶态结构。而微观结构对性能的影响却是统计学上 的综合表现 ,对其深入定量考察是目前研究的热点。另 一方面 ,性能又具有相对独立性 ,性能反映结构, 又反 作用于结构。性能的反作用说明性能与结构之间是既 相适应 、又相矛盾的统一体。相对保守的结构要支配控 制性能,而相对活跃的性能在环境影响下的变异又反 过来影响结构, 引起结构变化 ,甚至突破原有结构的束 缚。两者的对立统一是塑料材料逐渐失效的原因所在 , 又是我们不断优化材料结构与性能的依据。 在一定条件下 , 结构与性能的相互转化可通过改 变成型加工条件来实现。根据材料的形态结构 ,选择合 理的成型加工条件可以获得所需的特定性能;同时, 根 据材料的已知性能, 选择适当的加工成型条件又可以 引起材料结构的变化 。在应用中 ,从结构决定性能 、性 能反映结构又作用于结构的基本原则出发 , 既可以根 据已知对象的内部结构来推测预见对象的性能, 也可 以根据已知对象的性能来推测预见对象的结构, 从而 结合人们的需要, 利用加工成型条件 ,或改变结构、或 改变性能,实现人们充分利用和改造自然的目的 。 3 弹性形变和粘性流动的有机统一 在传统的观念中, 固体毫无疑问是弹性的, 流体是 粘性的。但仔细观察许多自然现象时, 你也许会发现几 乎自然界所有的物体同时兼有弹性和粘性。象水这样 典型的牛顿流体 , 跳水运动员在刹那间却能感到它的 弹性阻力 。现代地球物理和地质学研究不但证明了 万 物皆流",而且也说明了流动现象对观察时间尺度的意 义 。象岩石这样在普通概念中勿庸置疑的固体也是能 形变和流动的物质 , 只不过它的刚度极大(10 15达因/ 米2 量级),粘度极高(10 22泊量级)和松驰时间极长(10 3 年量级)罢了 。沟通固体和流体力学响应之间的界限是 人类思想史在流变材料观上的充分反映。 粘性和弹性是材料属性不可分割的两个方面, 在 不同的观察时间尺度上它们相互依存和相互转化。人 们对弹性和粘性的逐步观察和认识 ,促进了塑料流变 学的产生和发展[ 4] 。不同于一般的弹性固体(如金属) 及低分子流体 , 塑料材料的突出特点是弹性和粘性的 共存性表现得比较突出 , 其粘弹性对实验条件(应力、 温度和观察时间)非常敏感 ,同一材料兼有固体和流体 两种状态的力学行为 , 如欧洲某些古教堂窗户上的玻 璃上薄下厚。显然 ,这种材料的力学性能规律与经典的 力学理论相背离。麦克斯韦 1868 年发现松驰现象及松 驰时间概念的建立使描述纯弹性与纯粘性的经典力学 理论向更接近实际的粘弹性唯象理论迈进了一大步。 3 第 4 期(总第 132 期) 1999-08 塑 料 科 技 PLASTICS SCI.& TECHNOLOGY DOI :10.15925/j .cnki .issn1005 -3360.1999.04.002
4 周华民等 塑料材料粘弹性的哲学认识 而1874年玻尔兹曼提出的迭加原理指出了力学响应 用，将随着时间的推移而变化。这种变化包括物性和物 对形变历史依赖性和退化记忆的观点，标识着本构理 态两方面。材料丰富多彩的粘弹性正是表现在它的多 论从经典到现代的过渡。而非线性本构方程的确立使 种存在方式和状态变换之中，自然界中的每一状态都 现代流变学理论获得进一步发展。 有其数量和质量界限，都有一定的关节域，在一定关节 流变学发展的目的不单是要深索一种正确的认识 域中，状态变化只是数量的增减而无性质的改变.塑 论，更重要的是要寻求一套完善的研究方法，以对材料 料材料在一定条件下可呈现出玻璃态、高弹态、粘流 的粘弹性响应作严谨的数学描述。在材料观上对经典 态，这三种状态在各自的温度、时间、形变速率界限内 理论的固体响应和流体响应之间的死界限以及力学响 发生变化时，其状态仍然不变但超过这种界限时，就 应的线性模式两方面的突破是流变学史上的里程碑。 可能出现状态转变区.使状态之间发生过度与转换。促 进质的飞跃。 4 宏观流变学与微观流变学辩证统 6流体与时空的辩证统一 塑料材料粘弹性的研究方法可分为两类：一是连 由于时空的无限性，流体在时间及空间上也是不 续介质力学法即宏观流变学，不考虑具体的分子结 可穷尽的，流体力学的任务就是要把流体、运动，力联 构，试图采用数学解法从宏观角度描述物体的粘弹行 系起来描述流体相对于时空的自然规律，其最本质的 为：二为分子理论法即微观流变学，试图从分子结 结论就是本构方程的三人法则.坐标不变性原理是任 构出发，推导出整体的性质，实践证明，连续介质力学 何规律对本构方程数学表达的一种要求；材料客观性 法成功地解决了许多工业问颗，提供了一般性的平衡 原理是本构方程框架无差异的一个亚格要求：流变性 原理（如连续性方程，运动方程、能量守恒方程等）以及 确定论原理是流变学本构方程特有的，它说明了在某 本构方程必须遵循的原则，但它亦有不足之处，如不能 一时刻、某一位置的质点的力学响应应由流体运动的 判定对不同流体本构方程应采用的具体的函数形式， 历史来决定。在本构方程中引入记忆函数，充分体现 不能对本构方程中的许多常数或函数作合理的物理解 粘弹性材料的应力或应变对村讨去运动历史的依输性 释从某种意义上来说连续介质力学方法只是对所有 这种记忆原理或遗传性"原理排除了本构方程对将 流体宏观相似性的提炼无法对不同塑料流体的记忆 来时间范用内的泛函依赖性，或者说。只有历史决定现 特性、微观结构作充分的表达.而分子力学法是采用非 在，材料不能预见将来的行为.这一原理正好与牛顿的 平衡态热力学方法或扩散方程等动力学方法，求得塑 绝对时空观相背离，在牛顿经典材料理论中，给出初始 料流体的宏观性质与大分子的力学模型之间的各种参 条件，在力学一设连续性要求下，物质将来的运动就完 数关系，但由于不同塑料具有不同的粘弹记忆特性，且 全确定了.显然绝对时空观夸大了时空的独立性而忽 同一材科义存在着多重转变与松他机理，因此要我到 视了它与物质的联系，我们应该承认时空的相对独立 简洁明了、具有普遍意义的物理数学模型很困难.因而 性，但又应该强调时空与流体的内在联系，本构方程的 连续介质力学与分子理论作为潮料流体宏观与微观表 确立是流体与时空详证统一的结果。 现的两种研究方法它们的密切结合是流体粘弹性行 [参考文献】 为宏观与微观辩证统一的疼观要求.也是流体运动相 似性与多样性的辩证统一，同时为更深入准确定量地 于同隐等。高聚物的粘弹性。上海：上海科学技术出版社 进行粘弹性研究指明了方向与途径。 1986. 「2舒炜光编.自然群证法原理。长春吉林人民出版社.1983 5状态和变换的辩证统 3 沈小峰等。自然辩证法范畴论，北京：北京师大出版社 1986 塑料材料由于内部矛盾斗争和外界因素的扰动作【到古大治.高分子流体动力学，重庆四川教有出版社99. 【下转第26页】 21994-2018 China Academic lournal Electronic Publishing House all rights reserved http//www cnki net
而 1874 年玻尔兹曼提出的迭加原理指出了力学响应 对形变历史依赖性和退化记忆的观点, 标识着本构理 论从经典到现代的过渡。而非线性本构方程的确立使 现代流变学理论获得进一步发展。 流变学发展的目的不单是要探索一种正确的认识 论,更重要的是要寻求一套完善的研究方法 ,以对材料 的粘弹性响应作严谨的数学描述。在材料观上对经典 理论的固体响应和流体响应之间的死界限以及力学响 应的线性模式两方面的突破, 是流变学史上的里程碑。 4 宏观流变学与微观流变学辩证统一 塑料材料粘弹性的研究方法可分为两类 :一是连 续介质力学法, 即宏观流变学[ 4] ,不考虑具体的分子结 构,试图采用数学解法从宏观角度描述物体的粘弹行 为;二为分子理论法, 即微观流变学[ 1] ,试图从分子结 构出发 ,推导出整体的性质 。实践证明 ,连续介质力学 法成功地解决了许多工业问题, 提供了一般性的平衡 原理(如连续性方程 ,运动方程、能量守恒方程等)以及 本构方程必须遵循的原则 ,但它亦有不足之处 ,如不能 判定对不同流体本构方程应采用的具体的函数形式 , 不能对本构方程中的许多常数或函数作合理的物理解 释。从某种意义上来说,连续介质力学方法只是对所有 流体宏观相似性的提炼, 无法对不同塑料流体的记忆 特性、微观结构作充分的表达 。而分子力学法是采用非 平衡态热力学方法或扩散方程等动力学方法 , 求得塑 料流体的宏观性质与大分子的力学模型之间的各种参 数关系 ,但由于不同塑料具有不同的粘弹记忆特性, 且 同一材料又存在着多重转变与松驰机理, 因此要找到 简洁明了、具有普遍意义的物理数学模型很困难。因而 连续介质力学与分子理论作为塑料流体宏观与微观表 现的两种研究方法, 它们的密切结合是流体粘弹性行 为宏观与微观辩证统一的客观要求, 也是流体运动相 似性与多样性的辩证统一, 同时为更深入准确定量地 进行粘弹性研究指明了方向与途径 。 5 状态和变换的辩证统一 塑料材料由于内部矛盾斗争和外界因素的扰动作 用 ,将随着时间的推移而变化, 这种变化包括物性和物 态两方面,材料丰富多彩的粘弹性正是表现在它的多 种存在方式和状态变换之中 。自然界中的每一状态都 有其数量和质量界限, 都有一定的关节域 ,在一定关节 域中, 状态变化只是数量的增减, 而无性质的改变。塑 料材料在一定条件下可呈现出玻璃态、高弹态 、粘流 态 ,这三种状态在各自的温度、时间、形变速率界限内 发生变化时 ,其状态仍然不变, 但超过这种界限时, 就 可能出现状态转变区, 使状态之间发生过渡与转换 ,促 进质的飞跃。 6 流体与时空的辩证统一 由于时空的无限性 , 流体在时间及空间上也是不 可穷尽的 , 流体力学的任务就是要把流体、运动 、力联 系起来, 描述流体相对于时空的自然规律 ,其最本质的 结论就是本构方程的三人法则 。坐标不变性原理是任 何规律对本构方程数学表达的一种要求;材料客观性 原理是本构方程框架无差异的一个严格要求;流变性 确定论原理是流变学本构方程特有的, 它说明了在某 一时刻 、某一位置的质点的力学响应应由流体运动的 历史来决定。在本构方程中引入记忆函数 ,充分体现了 粘弹性材料的应力或应变对过去运动历史的依赖性, 这种 记忆"原理或 遗传性"原理排除了本构方程对将 来时间范围内的泛函依赖性 ,或者说, 只有历史决定现 在 ,材料不能预见将来的行为。这一原理正好与牛顿的 绝对时空观相背离 ,在牛顿经典材料理论中, 给出初始 条件 ,在力学一般连续性要求下 ,物质将来的运动就完 全确定了 。显然,绝对时空观夸大了时空的独立性而忽 视了它与物质的联系 。我们应该承认时空的相对独立 性 ,但又应该强调时空与流体的内在联系 ,本构方程的 确立是流体与时空辩证统一的结果。 [ 参 考 文 献 ] [ 1] 于同隐等。高聚物的粘弹性。上海:上海科学技术出版社, 1986。 [ 2] 舒炜光编。自然辩证法原理。长春:吉林人民出版社, 1983 。 [ 3] 沈小峰等。自然辩证法范畴论 。北京:北京师大出版社, 1986 。 [ 4] 古大治。高分子流体动力学。重庆:四川教育出版社, 1989 。 【下转第 26 页】 4 周华民等 塑料材料粘弹性的哲学认识
26 苗迎春透明聚丙烯性能的研究 PP制品的环境适应性并扩大了使用范围，可广泛地应 时，在PP中成簇，有效浓度下降 用在透明包装、家庭用品等领域。 (2)透明PP的结晶温度高，因而结晶速度快加 表3透明PP与普通PP的性能对比 工周期短，有利于生产率的提高。 性 普通PP 透明P 3)透明PP不仅承袭了普通PP质轻、价廉、耐 雾度% 566 10.1 高温和流动性好等优势，物理机械性能还有一定程度 光泽度.% 99.6 1292 的改善并扩大了使用范围。 2.8 3.0 18.92 128.06 [参考文献] 维卡软化点℃ 140.0 1569 洛氏硬度R 95 1 [1JP01203389. 35.0 [2 EP315162 拉伸强度MPa 38.9 弯曲模量GPa 1.49 1.50 [3 Us4808650. 弯曲强度MPa 38.8 39.8 [4 李华.塑料技术1995.(3)32 缺口冲击强度（常温）小m一1 24.0 28.2 Kunsto ffe199484(8)990. [6 何曼君等，高分子物理。上海：复旦大学出版社.1990 4结论 Rabello MS While IR.J Appl Polym Sci.1997 64:2 505 18 Gahleitner M.Wolfschwenger J Backner C etal J Appl (1)透明PP由于透明剂的加入，球晶结构极度均 Polym Sci.1996.61649. “细化，透明性和光泽度显著提高。透明剂用量太高 Studies on Propeties of Clarified Polypropylene MIAO Ying-chun Research Institute of Luoyang Petrochemical Complex Luoyang 471012) ABSTRACT In this paper,the crystalline morphology,thermology,rheology and mechanical properties of clarified PP are investigated by PLM,DSC,Rheometer and stretch tester.The results show that clarified PP com pared with pure PP has good transparency and gloss,The other properties are im proved,also.Comprehensive prop- erties of clarified PP is superior to pure PP. KEY WORDS Polypropylene Clarified agent 【上接第4页】 A Philosophical Thinking about Plastic Viscosity and Elasticity ZHOU Hua-min,Li De-qun (State Key Lab.Of Mould Die Techniques of HUST,Hu-bei Wu-han 430074) ABSTRACT Viscosity and elasticity is the most outstanding mechanicial characteristic of plastics.The paper analy ses the central points at plastic structure,property and related theories at the philosophical view KEY WORDS Plastics;Viscosity and elasticity Philosophy 1994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
PP 制品的环境适应性并扩大了使用范围,可广泛地应 用在透明包装、家庭用品等领域。 表 3 透明 PP 与普通 PP 的性能对比 性 能 普通 PP 透明 PP 雾度, % 56.6 10.1 光泽度, % 99.6 129.2 熔融指数 g·(10min)-1 2.8 3.0 结晶温度℃ 118.92 128.06 维卡软化点℃ 140.0 156.9 洛氏硬度 R 95 107 拉伸强度 MPa 35.0 38.9 弯曲模量GPa 1.49 1.50 弯曲强度 MPa 38.8 39.8 缺口冲击强度(常温)J·m -1 24.0 28.2 4 结论 (1)透明 PP 由于透明剂的加入,球晶结构极度均 一细化 ,透明性和光泽度显著提高。透明剂用量太高 时,在 PP 中成簇 ,有效浓度下降。 (2)透明 PP 的结晶温度高, 因而结晶速度快, 加 工周期短 ,有利于生产率的提高。 (3)透明 PP 不仅承袭了普通 PP 质轻 、价廉、耐 高温和流动性好等优势 , 物理机械性能还有一定程度 的改善并扩大了使用范围 。 [ 参 考 文 献 ] [ 1] JP 01203389. [ 2] EP 315162 . [ 3] US 4808650 . [ 4] 李华。塑料技术, 1995 ,(3):32。 [ 5] Kunsto ffe , 1994, 84(8):990 . [ 6] 何曼君等。高分子物理。上海:复旦大学出版社, 1990。 [ 7] Rabello MS , Whilc IR, J Appl Polym Sci , 1997, 64:2 505. [ 8] Gahleitner M , Wolfschwenger J, Backner C, etal.J Appl Polym Sci.1996 , 61:649 . Studies on Propeties of Clarified Polypropylene MIAO Ying-chun (Research Institute of Luoyang Petrochemical Complex , Luoy ang 471012) ABSTRACT In this paper, the crystalline morpholog y , thermology , rheology and mechanical properties of clarified PP are investigated by PLM , DSC , Rheometer and stretch tester.The results show that clarified PP compared w ith pure PP has g ood transparency and gloss, The other properties are improved , also .Comprehensive properties of clarified PP is superior to pure PP . KEY WORDS Polypropylene;Clarified agent 【上接第 4 页】 A Philosophical Thinking about Plastic Viscosity and Elasticity ZHOU Hua-min , Li De-qun (State Key Lab .Of Mould & Die Techniques of HUST , Hu-bei Wu-han 430074) ABSTRACT Viscosity and elasticity is the most outstanding mechanicial characteristic of plastics .The paper analy ses the central points at plastic structure , property and related theories at the philosophical view . KEY WORDS Plastics ;Viscosity and elasticity ;Philosophy 26 苗迎春 透明聚丙烯性能的研究