日常食品保鲜膜裂纹扩展中速度跳跃的普适性研究

《Polymer》：Universality in the velocity jump in the crack propagation observed for food-wrapping films for daily use

　　

针对橡胶材料中发现的裂纹扩展速度跳跃现象已成为开发高韧性橡胶材料的有力工具这一背景，尽管现有理论预测该跳跃可广泛存在于粘弹性材料中，但除弹性体以外，清晰的速度跳跃观测案例极为有限且重现性低。研究人员采用日常食品保鲜膜作为样品，在垂直于裂纹方向以恒定速度拉伸样品的过程中观测裂纹扩展速度。结果表明，速度跳跃在特定临界应变下以高重现性发生。值得注意的是，通过将裂纹扩展速度对应应变的曲线进行适当标度，数据可坍缩至一条主曲线，且该主曲线在实验探索范围内的拉伸速度与样品高度变化下均表现出普适性。本研究证实，即便如多数粘弹性材料存在多重结构弛豫，只要材料流变学上表现出玻璃化转变，即可观测到速度跳跃，这与先前理论仅假设单一玻璃结构弛豫的情形不同。这一发现表明，任何表现出玻璃化转变的粘弹性材料均可能观测到速度跳跃。研究结果对未来理论发展形成了约束，并为速度跳跃成为开发各类高韧性聚合物基材料的工具开辟了新途径。

该研究发表于《Polymer》，聚焦于聚合物断裂力学中裂纹扩展速度跳跃现象的普适性问题。研究背景指出，尽管已有理论预测速度跳跃可广泛存在于粘弹性材料中，但除橡胶外，其他材料的观测案例极少且重现性差，限制了该现象在高性能聚合物设计中的应用。为此，研究人员以市售单层聚偏二氯乙烯（PVDC）基食品保鲜膜为模型体系，在动态边界条件下开展实验，证实了高重现性的速度跳跃，并通过标度分析揭示了其普适性规律，为二次电池隔膜等关键聚合物材料的增韧提供了新思路。

关键技术方法包括：采用动态边界条件实验装置，以恒定速度拉伸含预制裂纹的样品，同步使用常规数码相机与高速相机记录裂纹尖端位置；通过流变学与力学测试表征样品的粘弹性与结晶特性；利用标度分析将不同实验条件下的速度-应变曲线坍缩至统一主曲线。

研究结果如下：

1. 材料

样品为旭化成株式会社生产的SARAN-WRAP保鲜膜，标称厚度11 μm，主要成分为偏二氯乙烯/氯乙烯共聚物（含72–93 wt%偏二氯乙烯重复单元），含环氧大豆油稳定剂与柠檬酸酯类增塑剂，经吹胀成膜工艺形成约85%横向（TD）结晶取向。流变学测试显示其在室温下存在数十毫秒尺度的玻璃化转变，弹性模量从玻璃态约5 GPa降至橡胶态约500 MPa，同时伴随对应于共聚物结晶相的第二弛豫峰，证实存在多重结构弛豫。

2. 实验

实验设置固定夹具间距定义初始样品高度L（10–25 mm），预制边缘裂纹后，以恒定速度U（0.5–2 mm/s）拉伸移动夹具，应变速率范围为0.025–0.2 s^?1，室温约25 °C。为清晰观测裂纹路径，沿裂纹扩展方向涂覆标记线，并对比了局部涂覆与整体涂覆的影响。采用双相机系统：常规相机（60 fps）记录跳跃前慢速扩展，高速相机（32000 fps）记录跳跃后快速扩展，通过追踪裂纹尖端位移计算扩展速度。

3. 裂纹扩展

高重现性结果展示：在U=1 mm/s、L=15 mm条件下，三个独立样品的裂纹尖端位置-时间曲线在跳跃前后均高度重合。跳跃前速度随应变呈对数坐标下的直线关系，跳跃幅度达三个数量级，临界应变ε_c≈0.1，跳跃前速度V_B≈200 mm/s，跳跃后速度V_A≈300 m/s。

4. 速度跳跃

速度-应变曲线在固定L下与U无关，在固定U下随L变化，但通过横轴标度为绝对伸长量εL后，所有数据坍缩至单一主曲线，斜率α≈4。对比局部涂覆样品（初始裂纹长度a=10 mm）与整体涂覆样品（a=L）的结果显示，基本特征不变，仅直线区斜率变为α≈6，证实V=F(εL)的普适性不受涂覆方式与初始裂纹长度的显著影响。

讨论部分指出：标度关系源于裂纹尖端附近局域区域的拉伸主导机制，特征微观长度l^?≈V_B·t₀（t₀为玻璃化转变特征时间）约为数毫米；跳跃后速度接近材料弹性波速（约500 m/s），解释了其普适性；与先前单弛豫理论相比，本研究证实多重弛豫体系中玻璃化转变仍是速度跳跃的核心驱动因素，为未来理论纳入多重弛豫过程提供了实验约束。

结论部分总结：研究人员在日常聚合物薄膜中观测到高重现性的裂纹扩展速度跳跃，通过标度坍缩获得普适主曲线。流变学证据表明，只要材料表现出玻璃化转变，无论是否存在多重结构弛豫，均可观测到该现象。鉴于多数粘弹性材料均具有多重弛豫的玻璃化转变，本结果为利用动态裂纹扩展实验开发二次电池隔膜等高韧性聚合物提供了重要依据，并强调未来理论需基于多重弛豫粘弹性框架发展。