pg下载官方认证 ​高分子流体：揭秘日常用品背后的神奇科学

高分子流体，听闻起来略微有些抽象，可是，不管是我们平常生活里所采用的塑料、橡胶、纤维，还是工业生产之中的各类高分子及其复合材料，它们的生产、加工以及成型，都需要去理解并应用高分子流体的流动与变形性质，也就是流变性质，高分子流体在不一样的实验或者加工条件之下，会呈现出令人赞叹的复杂多样的流变行为，那么，这些现象的背后隐匿着怎样的科学原理呢，本文将借助一系列有意思的例子，带领大家深入认识高分子流体的奥秘，揭示高分子流体背后的神奇科学 。

高分子流体的种类

许多重复单元，也就是单体，构成了长链化合物高分子，它通常也被叫做聚合物，举例来说，乙烯分子连接在一起能形成一个很长的分子，此即聚乙烯，高分子流体算是高分子在温度远远高于其玻璃化转变温度或者熔点的时候所呈现的一种特定状态，它涵盖了高分子熔体以及溶液 。高分子流体具有粘性，高分子流体具有弹性，高分子流体表现出复杂多样的流变行为，所以高分子流体成为了高分子物理乃至高分子科学基础研究的经典模型体系，高分子流体流变学成为了高分子材料加工与成型的学科基础。

因高分子链拓扑结构存在不同（如图1所呈现的那样），此情形下能够把高分子划分成线形高分子；能够划分成环形高分子；可以划分成为支化高分子；还能够划分成超支化高分子等。每一种类型的高分子都具备独特的流变学特性；每一种类型的高分子都拥有独特的物理特性。有这些特性致使它们在不同领域具备各自不同的应用 。

见图1，高分子有着相异拓扑结构的示意图，其中包括，（a）呈现为线形的，（b）呈现为环形的，（c）呈现为支化的，以及（d）呈现为超支化的高分子。

（1）由重复单元线性连接而组成的叫线形高分子，它属于化合物，是一类极为常见的 ，这类分具有良好的可加工性 。比如说 ，线形聚乙烯具备超高，以及可塑性 ，所以它被广泛应用于工程管道 ，还有塑料袋 ，以及保鲜膜等工业 ，和生活用品里头 。

环形高分子，是那种由重复单元形成环形闭合结构的高分子，它没有末端。在微观尺度下，环形高分子的流动行为，对外面环境的变化，是非常敏感的。也就是说，它有着“小刺激、大响应”这样的特点。同时，它还具备独特的溶液性质，像是特性黏度。而这，让环形高分子在微观和纳米尺度流体动力学研究当中，有着重要的应用价值。

（3）支化高分子系一类具备诸多侧链的特殊高分子，和一般的线形高分子相较，支化高分子存有一系列独特的优点，我们能够借助调整侧链的数量与位置来灵活调控其性能，据此制备出各类具备不同特性的材料，用以满足不同应用的需求，当侧链较短时，支化高分子具备较高的熔融流动性，这致使其在加工过程里更易于塑性变形，进而创造出复杂的形状与结构，所以支化高分子被广泛运用于生产儿童玩具等塑料制品。在另外一个方面，要是侧链相对来讲比较长，那么支化高分子的分子结构就会变得极为复杂且头绪繁多，进而使得它能够更优越地抵制酸碱以及其他化学物质的腐蚀与溶解，展现出于耐化学腐蚀特性上的良好表现，如此一来便让长链支化高分子变成了一种堪称理想的包装材料。

（4）超支化高分子属于支化度更高的那类高分子，它有着更为复杂的空间结构，还有更多的分子链支化点，而树枝形高分子也就是Dendrimer，是一种具备完美结构的特殊超支化高分子啦,这种复杂的链拓扑结构给予了超支化高分子更出色的性能，像是较高的强度、弹性、耐摩擦性、优异输运性等等，这使得超支化高分子在润滑剂、胶粘剂、涂料、药物载体，甚至轮胎胎面胶等领域有着广泛的应用, 。

结构决定性质，性质决定用途

这是材料科学家通常遵循的准则，即“结构决定性质，性质决定用途”。为了进一步改善高分子材料的性能，进行扩展性能的操作，科学家们主要采用共聚和共混的方法，其中该方法的图示为图2 。

图 2 共聚和共混高分子示意图。

带有两种或者更多种重复单元的聚合反应，是在特定流体状态环境之中开展的，其结果是生成具备复合性质的共聚物，这种反应就叫做共聚。比如说，丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯的共聚物，也就是ABS塑料，它是一种常常会被用到的高性能工程塑料。这里面，丙烯腈，也就是A，赋予了材料出色的耐热性以及耐化学腐蚀性能，丁二烯，也就是B，它的加入让材料拥有了较好的抗冲击韧性，而苯乙烯，也就是S，增加了材料的硬度与刚性，所以该材料在汽车、电子、家电、建筑等领域有着广泛应用。

共混，是那种情形的做法，会将两种或者更有甚者说多种彼此不一样的高分子，在流体呈现状态之下混合到一块儿，进而形成一种有着优异综合性能表现的材料。这种共混材料在制备方面具备简便的特点且又能够融洽地结合好多不同高分子各自所拥有的特殊性能特征 ，所以呢它们有着更为丰富多样的应用领域范畴，并且呀还有着相对而言比较廉价的那种有优势的情况。

从上面所做的介绍能够看得出来，高分子流体存在着不一样的类型以及结构，这些类型和结构赋予了高分子材料各自具备独特性的流变学特性，还有物理性能；借助于合理的设计以及改性，科学家们持续不断地进行探索，并且开发新的高分子材料，从而为我们的生产、生活以及科技进步提供了更多的可能性。

典型的流变学现象

在基础研究里头，研究人员会去设计各式各样的实验呢，这些实验所要达成的目的是表征高分子流体的流变学现象，这么做是为了能够更加深入地去了解高分子流体的非线性流变行为以及其所蕴含的机制，以日常生活当中最为常见的一类高分子材料，也就是塑料为例，现在我们来进行一番了解，了解的具体内容是高分子流体的典型流变学现象。

塑料是一种由高分子制成的物质，这种物质具有可塑性，在加热时，此物质能变得柔软，进而易于成型，冷却后，它会变得坚韧。塑料可塑性的成因是，高分子流体于不同温度下有着不同的流变行为。加热后，当柔软的塑料受外力作用时，其中高分子链会迅速运动，致使材料整体产生塑性变形pg下载通道，外力除去后，它会部分回弹甚至完全回弹pg下载麻将胡了，此时高分子链又会恢复到原来状态。假如在外部力量消除以前迅速降低温度，那么塑料将会维持目前的形态并且变得坚固有韧性；要是再次迅速升高温度，塑料依旧会恢复原状，致使它拥有较为突出的“记忆效应”。

平日里，还有一种常见于生活当中，被称作橡胶的高分子材料。它有着特殊的性质，呈现出出色的弹性以及耐用性，故而被称之为“弹性体”。一方面，鉴于它在常温状态下展现出低玻璃化转变温度，所以能够被视作一种特别的高分子流体；另一方面，由于它具备独特的高分子结构加上交联性质，因而又能够被看成是一种特殊的高分子固体。交联性质，所要讲的是，橡胶分子链之间借助化学键或者物理交联点来相互连接，所塑造而成的三维网络结构 。这种交联结构给予了橡胶材料迅速恢复到本来状态的能力，还让它拥有较高的抗拉、抗压以及抗磨损的能力。正是因为交联性质的存有，橡胶材料才能够适应各类复杂的应力环境，比如在轮胎、运动鞋底、橡胶管以及密封件等领域起到重要作用。

最常见的那种橡皮筋，是一种处于高度交联化状态的高分子流体，虽人们一般将其看作固体，可其内部的分子链段，在常温之下，依旧能够如同液态水分子那般，产生相对比较自由的热运动，而这也是橡胶材料跟小分子材料之间显著的区别所在。当我们迅速拉伸一根橡皮筋的时候，会出现一个有意思的现象，那就是肉眼能够看出橡皮筋上面有好多绒毛。这一现象能够借助高分子链的层状滑移予以解释，也就是当外力对橡皮筋进行拉伸时，高分子链会被拉伸，与此同时高分子链之间的交联点也会受到拉伸力的作用 。然而，交联点存在不均匀性，于是就使得一些交联点比别的交联点更易于移动，进而一些链段会滑动到跟拉力呈垂直方向上，形成了绒毛状结构，这种层状滑移的现象是源自拉伸过程里的能量重新分布造成的。然而，只要橡皮筋没有被拉伸得过长，也就是高分子链没有被拉断，那么当外力消失时咧，高分子链会重新恢复到原来状态，橡皮筋也就恢复得跟当初一样。实际上，关于运动鞋橡胶底具备的回弹性，以及汽车轮胎拥有的抓地力，这二者全都离不开橡胶当中高分子链所呈现的特殊运动，还有其发生的形变 。

高分子流体应用潜力巨大

不只是对推动基础科学发展有重大价值，高分子流体的研究在好多应用领域也呈现出极大的潜力，在材料科学领域呀，探究高分子流体的流变行为，有着至关重要的意义，关乎改良材料制备方式以及达成性能调控，经由深度知悉高分子流体的行事状况，人们能够优化合成材料的流程，提升物料在强度、韧性、耐气候变化能力以及热学和电学性能方面的表现，比如说，吉林大学与苏州大学等的科研人员，利用动态可逆键，给材料和器件赋予了像是出色的力学性能、可修复性能以及耐化学腐蚀性能一类的优良特质。

高分子流体于生物医药领域同样有着紧要应用价值，举例来说，斯坦福大学的科研人员研发出了一系列仿生材料，这些材料被用于组织工程以及医疗器械等范畴，当中，她们制成了一种能在更大程度上模拟天然皮肤的人造皮肤，此人造皮肤在遭受外力作用时能够迅速回弹抑或愈合，还能够更好地感知周边环境的改变，于医疗领域可被用于治疗烧伤、创伤以及皮肤移植手术等pg下载，进而加快患者的愈合进程，减轻其痛楚。

在其他众多应用里头，高分子流体呈现出了令人惊叹的潜力，像3D打印、纳米技术、柔性电子等方面。高分子流体的研讨成果会促使工业取得进步，以及新技术获得发展，进而给人们的生产、生活带去更多的便利与福祉 。

高分子流体研究面临的挑战

因为有着复杂的链结构，以及链运动，还有流动条件之下的非线性响应，高分子流体的基础研究面临着一些严峻挑战，举例来说，高分子流体的“应变局域化”现象是一个被国际学术界广泛关注且争论的问题，所谓应变局域化，是指宏观均匀的结构出现了非均匀的应变或者断裂的现象，在一定条件下，应变局域化会致使高分子材料的力学性能发生“雪崩式”衰减，所以，从分子水平上证实其存在性并揭示其机理对科学研究以及材料的开发有着重要意义。

近些年，大规模计算机模拟变成揭示高分子流体复杂流变行为以及分子机理的关键手段，中国科学院长春应用化学研究所跟美国加州理工学院合作，成功证实了高分子流体典型的应变局域化现象，也就是“宏观流动（熔体破裂）”与“剪切带”（见图3）的存有，并且揭示了相应的分子机理，吉林大学研发了GPU加速的分子动力学模拟软件GALAMOST，该软件能够快速模拟高分子流体中分子链的运动过程，给研究工作者提供了强大且有效的工具。有一些研究致力于开发独立于商用软件的仿真平台，用来解决特定领域面临的挑战，除了计算机模拟之外。比如说，吉林大学与中国科学院长春应用化学研究所展开合作，开发出了一套具有底层技术的航空轮胎综合性能仿真数字设计平台，该平台独立自主，能够在复杂工况下快速、准确地求解轮胎的本构关系，这种数字设计软件可为航空轮胎设计提供关键的技术支撑。

图3，呈现出典型的高分子流体应变局域化现象，此现象包括“宏观流动”，以及“剪切带”。

小结

作为一种特殊物质存在状态的高分子流体，展现出令人惊叹的流变性质，从塑料袋、橡皮筋到合成纤维，高分子材料为我们提供各种实用解决方案，带来诸多生活便利，实际上，高分子流体应用前景十分广阔，如为解决能源和环境问题提供新的思路，为仿生材料和药物传输开辟新的可能性等等，这些都离不开对高分子流体流变性能的掌握，在研究机理方面，计算机模拟和仿真软件将成为解决高分子流体复杂流变行为的有力工具。这些技术持续发展并应用，人们对于高分子流体的认识会越发深入，在科学领域会发挥更高价值，在工程领域也会发挥更高价值。