聚乙烯在简单剪切作用下的熔融断裂与滑移现象：可视化与机理研究

《Journal of Applied Polymer Science》：Polyethylene Melt Rupture and Slip in Simple Shear: A Visual and Mechanistic Study

熔体破裂行为在简单剪切流中首次系统研究，发现其是时间依赖现象，发生于三相接触线处并沿试样传播。表面处理显著影响破裂行为：PTFE涂层加速破裂时间，降低表面能导致更早的破裂；粗糙玻璃表面减少破裂时间但不改变滑移机制。揭示了滑移-破裂转变机制与界面链构象、缠结密度变化相关，挑战了传统防破裂策略（强化滑移）。

　　本研究聚焦于一种双模态分子量分布的聚乙烯在简单剪切流中的熔体破裂现象，首次通过流体可视化技术对这一过程进行了系统分析。熔体破裂通常被认为是高变形速率或高应变下发生的非均匀性断裂现象，以往的研究多集中在拉伸流中，但本文发现，这种破坏并非仅限于拉伸流动，它也可以在简单剪切流中发生。研究结果显示，熔体破裂是一种随时间演变的现象，通常在剪切速率和应力达到稳态平台后发生。破裂过程主要发生在三相（聚合物-空气-板）的共同线上，并沿着试样传播。值得注意的是，当破裂即将发生时，共同线会略微后退，且在破裂开始前停止滑动。此外，研究还发现，聚四氟乙烯（PTFE）润滑层的引入改变了滑动机制，使其更倾向于粘附性破裂，并且显著缩短了破裂发生的起始时间。而表面粗糙度虽然加快了破裂起始时间，但并未改变破裂的本质。这些发现对工业界具有重要意义，因为传统的防止破裂的方法通常依赖于促进滑动并降低应力，但本文表明，即使在较高的稳态滑动速率下，破裂仍可能发生。

熔体破裂在高变形速率下表现为一种灾难性的凝聚力失效，这种失效通常发生在材料的本体中，而不是表面。在拉伸流中，材料的破裂往往与拉伸应力相关，而在简单剪切流中，由于应力和变形通常保持均匀，因此破裂的机制和表现形式有所不同。研究还指出，熔体破裂的起始点和传播路径受到界面特性的影响，例如表面能、粗糙度以及涂层材料。通过改变这些界面特性，可以显著影响熔体破裂的发生时间、破裂类型以及破裂过程的动力学行为。例如，当试样在玻璃板和不锈钢板之间进行剪切时，破裂主要发生在不锈钢板一侧，而在玻璃板一侧则不会发生。这说明，界面的物理性质在熔体破裂中扮演了关键角色。

研究进一步探讨了熔体破裂的起始时间与名义剪切速率之间的关系。结果表明，涂层的引入会降低破裂起始时间，而表面粗糙度则不会影响滑动速率，但同样能够加快破裂的发生。此外，研究还发现，在破裂发生前，共同线的运动状态发生变化，即共同线逐渐后退，而滑动则继续进行，直到破裂开始时才停止。这种现象可能与界面处的分子行为有关，如链的分离、构型变化或纠缠密度的变化。这些界面现象可能是从滑动向熔体破裂转变的关键因素。这种转变机制的揭示对于理解聚合物在复杂流动条件下的行为具有重要的理论和实践意义。

通过引入流体可视化技术，研究人员能够更直观地观察熔体在简单剪切流中的行为，包括滑动和破裂的动态过程。研究团队使用了多种实验方法，如使用不同材料和涂层的平板进行实验，以及通过CT扫描分析破裂后的试样结构。实验结果显示，破裂后的试样呈现出不均匀的变形和断裂区域，表明破裂并非局限于表面，而是影响了材料的本体。这种现象与传统的毛细管流研究中的“鲨鱼皮”效应不同，更类似于“大范围熔体破裂”（gross melt fracture）。

研究还特别关注了滑动速率与破裂起始时间之间的关系。在某些情况下，滑动速率的增加可能会延迟破裂的发生，但在其他情况下，它也可能加速破裂。这表明，滑动速率并不是唯一决定破裂行为的因素，而是与界面处的物理和化学特性相互作用的结果。例如，在使用PTFE涂层的平板实验中，尽管滑动速率没有明显变化，但破裂起始时间却显著缩短。这可能是因为PTFE涂层降低了材料与界面之间的粘附力，使得界面更容易发生局部断裂，从而引发整体的熔体破裂。

此外，研究还涉及了不同材料组合对破裂行为的影响。在玻璃-不锈钢的组合中，破裂主要发生在不锈钢一侧，而在双涂层系统（玻璃和不锈钢均涂有PTFE）中，破裂可能发生在两个界面，且破裂类型可能发生变化。这种现象进一步说明了界面特性对熔体破裂的重要影响。同时，研究也指出，表面粗糙度虽然可以加快破裂起始时间，但并不会改变滑动速率，因此它可能通过其他机制（如局部应力集中）影响破裂行为。

在实验过程中，研究团队使用了多种技术手段，包括图像分析、CT扫描和应力传感器。图像分析主要用于测量滑动速率，而CT扫描则提供了破裂区域的三维结构信息。这些数据帮助研究人员更全面地理解了熔体破裂的起始、传播和终止过程。此外，通过记录应力变化，研究人员还能够分析熔体破裂与滑动之间的相互作用。结果显示，熔体破裂会导致应力迅速下降至零，而滑动则在破裂前保持一定的稳定性。这表明，熔体破裂是滑动机制无法有效缓解应力后的一种反应。

研究团队还探讨了熔体破裂与滑动之间的关系。在一些情况下，滑动可能作为防止破裂的一种机制，但在其他情况下，它也可能成为破裂的诱因。例如，在某些实验中，当滑动速率达到稳态后，破裂却依然发生，这表明滑动并不能完全避免熔体破裂。这种现象可能与材料的分子结构有关，尤其是链的分离和界面处的分子行为。研究还指出，滑动和破裂的相互作用可能受到材料分子量分布的影响，双模态聚乙烯由于其特殊的分子结构，表现出与传统单模态聚乙烯不同的破裂行为。

本研究的发现对工业加工和材料设计具有重要的指导意义。在塑料加工过程中，防止熔体破裂是确保产品质量和加工效率的关键。然而，传统的防止方法往往依赖于促进滑动并降低材料与界面之间的相互作用。本文的研究表明，这种策略并不总是有效，因为即使在滑动充分的情况下，材料仍可能因界面处的分子行为而发生破裂。因此，未来的研究可能需要更加关注界面处的分子动力学过程，以及材料分子量分布对其破裂行为的影响。

研究团队还通过CT扫描对破裂后的试样进行了详细的三维分析，进一步确认了破裂发生在材料的本体部分，而非仅仅局限于表面。这种发现与传统的毛细管流研究中的观点不同，表明熔体破裂可能在不同流动条件下表现出不同的特征。此外，CT扫描还揭示了破裂过程中材料的厚度变化，以及破裂区域的形态特征。这些信息有助于进一步理解熔体破裂的机制，并为未来的材料设计和加工优化提供理论依据。

本研究的另一个重要发现是，熔体破裂的发生时间与名义剪切速率之间存在一定的关系，这种关系可以通过幂律曲线来描述。在某些实验条件下，涂层的引入会显著改变这一幂律曲线的指数，表明界面特性对破裂行为的影响是多方面的。而表面粗糙度则主要影响破裂起始时间，但对滑动速率没有明显影响。这说明，不同的界面处理方式可能通过不同的机制影响熔体破裂，因此在实际应用中，需要根据具体的加工条件和材料特性选择合适的界面处理策略。

综上所述，本研究通过对双模态聚乙烯在简单剪切流中的熔体破裂行为进行系统分析，揭示了滑动与破裂之间的复杂关系。研究结果表明，熔体破裂不仅发生在特定的流动条件下，而且与界面处的分子行为密切相关。这些发现为工业界提供了新的视角，即通过优化界面特性，可以更有效地控制熔体破裂的发生。此外，研究还强调了流体可视化技术在理解聚合物流变行为中的重要性，以及界面特性对熔体破裂的显著影响。这些成果不仅有助于提高对熔体破裂机制的理解，也为未来的材料加工和产品设计提供了理论支持和技术参考。