高分子

黏彈性(viscoelasticity)

「太空黏土」(Silly Putty)在這裡是最好的老師。把它搓成球往下丟,它會像橡皮球一樣彈跳(表現得像彈性固體);讓同一顆球靜置在桌上,一小時內它就癱成一灘扁平的水坑(表現得像濃稠的液體)。同樣的材料,相反的行為——而決定你看到哪一種的,是你施力有多快、以及它有多溫暖。黏彈性正是這個:高分子部分是固體、部分是液體,其反應取決於時間與溫度。

這種行為結合兩種成分:一個瞬時、有彈性的彈性反應(像彈簧立刻伸長又彈回)以及一個緩慢、與時間相關的黏性反應(像活塞推過濃油,稱為阻尼器 dashpot)。快速施力、或在寒冷時施力,彈性那一面主導——它感覺剛硬如玻璃。緩慢施力、或在溫暖時施力,黏性那一面主導——它流動並屈服。由此直接衍生兩個日常後果。潛變(creep)是高分子在固定負載下隨時間持續緩慢伸長。應力鬆弛(stress relaxation)是它的鏡像:讓高分子保持固定的伸長量,維持那個伸長所需的應力會慢慢消退。工程師用彈簧與阻尼器的組合來模擬這一切(Maxwell 與 Voigt 模型)。

它之所以重要,是因為高分子必須為時間而設計,而不只是為單一負載。一個塑膠書架在書本重量下會在數月間明顯下垂(潛變);一個塑膠瓶蓋或尼龍紮線帶會慢慢鬆開它的抓握(應力鬆弛);汽車輪胎在你行駛時升溫並改變剛性。有一點誠實地把高分子和金屬分開:金屬的彈性反應基本上是瞬時的,其剛性幾乎不取決於你施力多快,但高分子的剛性會因施力速度與溫度而改變一個很大的倍數——所以單一個引用的模數,對塑膠來說是不完整的描述。

太空黏土在你丟它時會彈跳(快速施力:表現得像彈性體),但放一整晚就攤成一灘(緩慢施力:像液體般流動)。材料從沒改變——改變的只是施力的時間尺度。

黏彈性材料在快速或寒冷施力時表現得有彈性,在緩慢或溫暖施力時則流動——反應取決於時間與溫度。

與金屬近乎瞬時、與速率無關的彈性不同,高分子的剛性強烈取決於施力速度與溫度——所以單一個模數數字是不完整的。潛變與應力鬆弛是黏彈性的兩個日常面貌。

又称
viscoelastic behaviour黏彈行為time-dependent elasticity