万物皆流,郑强教授《高分子流变学》的前言

高分子流变学 

郑强 编著

北京：科学出版社，2020.11

一本书，为什么要写前言？我想，就两条：一是告知读者这是一本什么书，二是让读者了解一下著者的写作缘由及背景。

第一，流变学是什么？

定义很简单，就是研究材料流动(flow)和形变(deformation)规律的科学。

第二，流变学怎么来的？

自1869年英国物理学家麦克斯韦(J. C. Maxwell)提出材料可以是弹性的也可以是黏性的观点以后，人们经长期探索发现，一切材料的力学行为都有时间效应。1928年，美国科学家E. Bingham教授正式提出“rheology”(流变学)一词，流变学由此应运而生。“rheology”一词源于希腊哲学家赫拉克利特(Heraclitus)的名言“Panta Rhei”(万物皆流)。

1929年美国首先成立流变学学会(American Society of Rheology)，1939年荷兰皇家科学院成立流变学研究小组，1940年英国成立流变学学会(British Society of Rheology)。1948年国际首届流变学会议在荷兰举行。1973年日本成立流变学会(The Society of Rheology，Japan)。1985年由北京大学陈文芳教授和湘潭大学袁龙蔚教授等学者发起成立中国流变学专业委员会，是中国化学会和中国力学学会下设的专业委员会，对外称中国流变学学会(Chinese Society of Rheology)。

20世纪50～60年代，中国开始有较为系统的流变学知识介绍，袁龙蔚教授、江体乾教授、郭友中教授等力学领域学者为此做了奠基性工作。同时期，钱人元院士在中国科学院化学研究所开设高分子溶液讲习班并开展相关研究，钱保均院士在中国科学院长春应用化学研究所(以下简称中科院长春应化所)进行高分子黏弹性研究，徐僖院士、张承琦教授在成都工学院(现四川大学)讲授塑料成形加工课程并开展相关研究，是中国高分子流变学的开创性工作。之后，程镕时院士、吴大诚教授、许元泽教授、赵得禄教授、周持兴教授、金日光教授、何嘉松教授、吴其晔教授、殷敬华教授等开展了承前启后的研究工作。

几十年来，我国高分子流变学研究产生了若干有影响的代表性成果：如程镕时院士采用毛细管黏度计测量高分子溶液黏度，证明界面吸附效应导致聚电解质溶液黏度测量结果的特异性；杨玉良院士研究双轴拉伸聚丙烯薄膜形态与制备工艺，发展了薄膜拉伸流动稳定性理论；安立佳院士提出缠结高分子流体结构演化分析方法，证实了阶跃形变的宏观流动与缠结网络的异质性有关；张俐娜院士建立了稀溶液中复杂多糖分子尺寸和链构象模型，提出纤维素低温溶解新原理；申长雨院士构建了优化注塑冷模系统的设计方法，发展了塑料成形高效控制技术；瞿金平院士将电磁振动引入挤出加工过程，发展了高分子动态成形加工新技术；王琪院士研究高分子材料力化学加工原理，建立了规模化固相加工方法；周持兴教授和俞炜教授发展了高分子共混体系结构流变学本构方程，拓展了流变学在高分子多尺度结构与动力学方面的应用；郑强教授和宋义虎教授构建流变性-功能参数同步测试新方法，提出跨越类液(liquid-like)-拥堵(jamming)-类固(solid-like)转变宽浓度范围的“宋-郑两相流变模型”。

国内若干高校如四川大学、上海交通大学、浙江大学、华南理工大学、华中科技大学、北京化工大学、西北工业大学、西安交通大学、青岛科技大学、湘潭大学等高校均开设有高分子流变学专业课程教学，为我国流变学发展提供了人才储备和支撑。

究其缘由，我以为主要有四个原因：

第一，在材料制备时重化学结构，重组成配方，相当程度上忽视了流变学是高分子加工的核心科学问题。

第二，对流变学定义和内涵的理解存在偏差，多注重一般流动参数的测量，而对高速剪切、大应变下的非线性流变(nonlinear rheology)行为的研究明显不足；另外，在一定程度上忽视黏弹性与高分子材料形态结构的相关性研究。测试手段多为静态流变(稳态流)模式，而动态流变(振荡流)较少。这可从相当长时期里一些学术机构主要购置熔融指数仪、毛细管(或转矩)流变仪做流变测试和研究的状况中窥见一斑。

第三，过分强调流变学对数理基础的依赖，渲染其“高深”，导致不少非数理专业或相关背景比较薄弱者望而却步。

第四，由于国内外流变学和高分子加工领域专业期刊影响因子大多偏低，在国内极为看重期刊影响因子的学术氛围下，流变学研究未得到应有的重视和认同。

虽看到了不足，但更要看到希望。作为当值中国流变学专业委员会主任委员，我认为，我国应在重点强化唯象流变学(phenomenological rheology)研究的基础上，大力提高结构流变学(structural rheology)的研究水平。我相信，随着高分子科学的不断发展，融合计算机模拟、3D打印、大数据、人工智能等新的科学原理和技术，尤其是随着一批流变学年轻新锐学者的涌现，中国高分子流变学的未来可期。

第三，流变学有啥用？

流变学与力学、化学、材料学、医学、建筑学等学科紧密相关，其基本理论和实验方法广泛应用于橡胶、塑料、金属、岩土、石油等体系。食品工业、生物医学、航空航天、国防工业、石油工业以及土木工程等领域的快速发展，对流变学有着指向性需求。

无论其存在或使用状态是液体(如涂料、油漆、驱油剂)，还是固体(如塑料、纤维、橡胶)，绝大部分高分子材料的制备加工都是在溶液或熔融状态下进行的，流动和形变是最主要的科学问题。另外，外场作用下高分子材料的黏弹性弛豫 (viscoelastic relaxation)行为与性能演变密切关联。流变学不仅可指导加工，也是研究高分子结构-性能关系的重要的、有效的方法。若将“流”看作外场给予物质的刺激，将“变”看作外场作用的历史或快慢，无疑是对流变学理解和认识的深化。由此，可补充定义：流变学是研究材料由外场刺激(方式和过程)所导致的结构演化和性能变化的科学。

这样的理念不仅可深化对流变学内涵的认识，更有利于从多维度认识物质特征。例如：怎样界定材料是固体还是液体？流变学观点认为，材料的形态和性质取决于外场作用(观察)时间的长短或作用的速率：作用(观察)时间无穷短，或速率无穷快，材料呈固体；相反，则为液体。所谓的硬材料、软物质(soft matter)，均是物质在有限时间维度或一定外场作用速率下(往往指人眼可视)所呈现的形态。由此可解释：

①快速小切角向河面抛掷瓦片，为何瓦片能在水面飞？这是因为这种瞬时剪切作用下，水表现出固体的回弹特性；

②欧洲一些500年以上老教堂的窗户上的玻璃，为何下部比上部明显要厚？这是缘于在如此漫长的时间内，貌似固体的玻璃在重力作用下缓慢地向下“流动”，呈现出“类液”行为。

就流变学研究对象而言，人们对高分子“情有独钟”。这是因为：基本上唯有高分子在有限时间范围存在可视的力学弛豫谱(relaxation spectrum)，呈现丰富的硬-软材料性质以及奇特的流变现象。单就动态流变学方法而言，在长时间(低频率)区域的测试数据，能灵敏地反映高分子无序-有序转变等多层次形态结构信息，如化学交联(chemical crosslinking)、相分离(phase separation)、粒子聚集(particle aggregation)、网络形成(network formation)、凝胶作用(gelation)。着眼更大的空间，我们发现，流变学无处不在：矿山坍塌和道路塌陷，是岩石和土壤应力集中和蠕变积累的结果，属岩土流变学(rheology of rock and soil)范畴；人类关节疾病，许多涉及软组织凝胶润滑与摩擦以及关节应力状态，属生物流变学(biorheology)范畴；高血压和脑血栓，多与血液黏稠度增高以及由此导致的血液流动受阻有关，属血液流变学(hemorheology)范畴。显然，对高分子而言，怎样强调流变学的重要，似乎不为过。对流变学而言，说高分子流变学占据半壁江山，好像也未有夸张。

我工作和生活中的许多专长和乐趣，恰恰得益于流变学的启发：如打乒乓球时，其攻球杀伤力在很大程度上并非依赖于击拍力量，而是靠挥拍速度；如唱男高音时，要控制气息的稳定流动及对声带的冲击(强度)；又如习修书法时，笔画的厚重与饱满取决于笔尖对宣纸的剪切应力，笔画中出现的“飞白”取决于毛笔与宣纸的剪切速率；再如我给学生演讲之所以有好的效果，是因为能从流变学的长时演变维度客观看待事物的传承与变迁，能从高分子硬-软互变的视角释析社会问题的骤紧与松缓。

第四，为啥我要写这本书？

一句话，是因为有点流变学的渊源，有些流变学的情结。

1982年我去中科院长春应化所进行本科毕业实习，在金春山教授和程镕时院士指导下做的实验就是流变学的内容，没想到主要结果后来竟发表在当时中国高分子领域最高水平的期刊《高分子通讯》上(金春山，郑强，程镕时，等. 毛细管与凝胶色谱联用作分离和扩展效应的同时校准. 1985，4：245-251)。这应是我发表的第一篇学术论文，也是第一篇关于高分子流变学的论文。真正进入高分子流变学的大门，应从1985年我考上四川大学(原成都科技大学)研究生，师从我国著名高分子科学家徐僖院士，受教于我国著名高分子流变学家吴大诚教授、毛维友教授、林师沛副教授时算起。1992～1995年我到日本京都大学留学，在日本流变学创始人小野木重治(S. Onogi)教授之得意门生、时任国际聚合物加工学会(PPS)主席、日本流变学学会会长升田利史郎(T. Masuda)教授指导下开展高分子动态流变学研究，为我后来从事流变学研究奠定了基础。1995年，《高分子学报》和Chinese Journal of Polymer Science两刊主编、北京大学冯新德院士推荐我到浙江大学任教，同年我创建了浙江大学高分子流变学研究团队。在完成本书撰写的时候，我对将我引入流变学领域的恩师们的深情回忆和感佩之意油然而生。

20年来，我一直持续开展高分子流变学研究并为浙江大学本科生和研究生讲授高分子流变学。承蒙“高性能高分子材料丛书”总主编蹇锡高院士邀约我撰写此书，得到中国流变学专业委员会前两任主任委员罗迎社教授、赵晓鹏教授的鼓励与支持，荣幸邀请童真教授、俞炜教授和陈全研究员对本书进行审阅。

20多年来，我荣幸地与杨玉良院士、程镕时院士、王玉忠院士、益小苏教授、章明秋教授、张立群教授、郭少云教授、傅强教授、杨鸣波教授、乔金樑教授、于杰教授、何力教授、谭红教授、杨振忠教授、胡国华教授、李忠明教授、解孝林教授、张洪斌教授、刘琛阳教授、姬相玲教授、杨琥教授、李良彬教授、胡文兵教授、郭宝春教授、冯连芳教授、罗筑教授、陶小乐博士、陈世龙高级工程师、王跃林博士等学界和产业界同仁在多项科技部、国家自然科学基金委员会、中国石油化工集团等机构资助课题中开展合作。有幸与国际著名高分子及流变学学者瀧川敏算(T. Ta ki g a wa)教授、高桥雅興(M. Takahashi)教授、根本纪夫(N. Nemoto)教授、程正迪(Stephen Z. D. Cheng)教授、韩志超(C. C. Han)教授、吴奇(C. Wu)院士、龚剑萍(J. P. Gong)教授、R. H. Colby教授、高平(P. Gao)教授等进行过有益的交流讨论。所有这些，为我能撰写本书所必须具备的学术实践和成果积累提供了帮助。

我的研究团队成员为本书的撰写给予了很大的支持，他们均是优秀的青年流变学者：杜淼(工学博士，副教授，博士生导师)，2004～2006年到日本北海道大学长田義仁(Y. Osada)和龚剑萍教授研究组从事高分子凝胶体系研究，近十年从事高分子材料极低摩擦表面构筑及其流变学研究。左敏(工学博士，副教授，博士生导师)，2007～2009年在香港科技大学高平教授研究组进行高分子纳米复合体系微流变研究，近十年开展纳米粒子填充高分子体系黏弹性与相容性研究。吴子良(理学博士，研究员，博士生导师)，2010～2013年在加拿大多伦多大学、法国居里研究所、日本北海道大学进行博士后研究，2014年入选“青年千人”计划，近年从事可控形变凝胶研究。上官勇刚(工学博士，教授，博士生导师)，2011～2013年在香港中文大学吴奇院士研究组从事高分子物理及微流变研究，近年从事聚烯烃合金黏弹性与多相结构关系研究，2012年获中国流变学青年奖。宋义虎(工学博士，教授，博士生导师)，2001～2003年到日本九州大学时任《日本流变学会会志》(日本レオロジー学会誌)主编根本纪夫教授课题组进行高分子薄膜形变机理研究，近十年开展粒子填充高分子体系流变学研究，获中国化学会2013年高分子科学创新论文奖、2018年冯新德高分子最佳论文提名奖。

《高分子流变学》（郑强 编著. 北京：科学出版社，2020.11）全面阐述流变学基本原理并介绍高分子材料体系流变学特性。第1章介绍流变学定义及高分子流变特性(杜淼、郑强执笔)；第2章介绍高分子流变学基础，包括黏度与模量、黏弹性、次级流动与不稳定流动、稳态流变与动态流变以及流变行为的分子量与分子结构效应(上官勇刚、吴子良执笔)；第3章介绍高分子溶液与凝胶流变学，包括稀溶液、半稀溶液、聚电解质溶液、高分子凝胶流变行为(杜淼执笔)；第4章介绍均相高分子体系流变学及其本构方程和黏弹性模型(上官勇刚、郑强执笔)；第5章介绍非均相高分子体系流变学，包括嵌段共聚物、高分子共混物的流变行为与相形态(左敏执笔)；第6章介绍填充改性高分子材料流变学(宋义虎、郑强执笔)。全书由郑强统编定稿。由于时间和水平有限，书中疏漏之处在所难免，敬请读者不吝指正，待再版时予以补充修订。

2020年6月20日于杭州