熔體破裂

熔體破裂（Melt fracture）是高分子材料加工時會出現的現象。高聚物熔體在擠出過程中，當剪切速率或剪切應力超過某一臨界值時擠出物的外觀由光滑而變得粗糙、呈竹節狀，甚至碎塊狀，這就是熔體破裂現象。

熔體破裂的分類

根據擠出物的形態，熔體破裂被分成鯊魚皮、粘滑破裂和整體（波狀）破裂。

熔體破裂實驗現象及影響因素

鯊魚皮作為一種表面粗糙現象，具有自相似性和准周期性。所謂自相似性是指鯊魚皮的平均波長與肋狀物的平均深度呈線性關係，而其周期與分子鏈的鬆弛時間有關。典型的整體破裂肋狀物大約為其直徑的10%，嚴重的也有達到直徑尺寸，而且基本上雜亂無章。鯊魚皮與整體破裂的區別不僅能通過其外觀直接觀察到，而且可以通過某些流變學臨界條件和口模內的流動特徵來表示。發生整體破裂的臨界剪切應力，只取決於聚合物熔體本身，而與口模的直徑、長度及其製造材料無關。鯊魚皮產生的臨界條件依賴於口模出口區的形狀、口模長度和口模的製造材料或口模壁的處理情況，如塗敷某種高分子彈性體或在其內壁開幾微米內螺紋。鯊魚皮對應的流動速率要低於整體破裂。沒有長支鏈的聚合物發生整體破裂時，在剪切速率與剪切應力的雙對數坐標的流動曲線上有很陡的斜率變化，垂直或幾乎是垂直；摩爾質量大約在105或更高的聚合物發生這種流動速率突變的應力大約在3.5×105Pa左右。而鯊魚皮發生時，曲線斜率的改變則要小得多。整體破裂區所對應的的流量具有時間依賴性，破裂狀況會受到入口區及口模內流動的影響，而鯊魚皮的形成僅與口模出口區有關。

熔體破裂形成的機理解釋

壁滑及分子不穩定解釋

壁滑的觀點常被用來解釋擠出物畸變和熔體流動不穩定。壁滑是一種界面現象，是由高分子與口模壁材料之間的界麵條件決定的。在一定的液/ 固界面上，無滑動流體動力學邊界條件能否在宏觀尺度上被違反是很難確定的問題。過去的大量研究表明，違反非滑動流體動力學界麵條件的壁滑是可能的；但對此類問題仍然沒有一個滿意的答案。Pearson、Renardy、Hill等通過修改經典流體力學非滑動邊界條件，分別建立了各自的流體動力學模型。他們一般認為壁滑速度取決於剪切應力或形變歷史。Hatzikiriatos 和Dealy使用最常用的冪律本構方程，根據各種條件建立流動模型，由此模擬出的一定條件下的粘滑區域的壓力振盪與實驗結果基本吻合。計算結果表明，在毛細管出口區域，應力梯度會下降，滑動速度將自動加速。

本構方程不穩定解釋

關於熔體破裂解釋的另一個主要觀點是聚合物熔體本構不穩定引起的。某些纏結的聚合物在恆速毛細管擠出時，當超出某一臨界活塞速率時，毛細管口模進口處所測壓力將周期性波動，擠出物表面呈現竹節狀或光滑與粗糙交替出現。與這種振盪流動行為相仿，在控制壓力下，也可觀察到流動的不連續性，在噴射流動轉變後，通常出現擠出物的畸變。由此可見，不管是恆定活塞速度還是恆定壓力，線型聚合物的毛細管擠出物都會發生畸變，也就是說該畸變的發生似乎不依賴於推動毛細管擠出的方式。這一觀察導致了理論上的猜想：振盪流動及流動不連續性起源於內在本構的不穩定性。

消除熔體破裂的幾種常用方法

工業上消除熔體破裂的方法對不同材料可能並不相同，大體上有以下幾種。在聚合物熔體擠出時，最先出現的破裂現象是鯊魚皮，而鯊魚皮的形成與口模的尺寸有關。所以，在模具設計時注意儘量利用口模的直徑、長徑比等對鯊魚皮形成的影響。

選擇特殊的口模材料，如合金鋼或其它材料，對口模材料進行特殊處理等。

根據聚合物選擇加工助劑（外潤滑劑、吸附劑、填料），改變流動邊界條件，可以減緩或消除熔體破裂。

根據熔體破裂的溫度效應，提高或降低溫度，具體情況要結合聚合物的種類等來確定。以上僅是一些原則性的方法，要根據實際情況來組合使用。 熔體破裂現象不僅是目前高分子流變學研究的一個非常熱門的領域，而且在工業應用上也獲得不少進展。在高剪切作用下的高分子顯現了明顯不同於低分子的流動特徵，外加流動形變引起了明顯的鏈有序排列，分子處於不穩定的解纏結狀態，由於本構的不穩定性引起了整體破裂。鯊魚皮現象是由本構不穩定性還是界面滑動引起的，目前仍在爭論中。在應用上，通過對熔體破裂現象的研究，也找到了一些消除熔體破裂的方法。

參考書目

《高分子物理》第三版，何曼君；《聚合物成型及加工工藝》成都科技大學編；《高分子化學》第四版，潘祖仁