旋轉流變儀在高分子物理教學實驗中的應用

劉晶如，俞 強，朱夢冰

（常州大學 材料科學與工程學院，江蘇 常州 213164）

高分子物理是高分子材料與工程專業以及材料化學專業的一門專業基礎課，該課程的教學目標［1－3］是向學生傳授高分子結構與性能的基礎理論知識，介紹高分子的研究方法，使學生通過該課程的學習能較好地掌握高分子物理的基本概念和基礎理論，為后續專業課程的學習打下堅實的基礎。由于高分子物理的很多理論知識與生產實踐密切相關，因此在講授這門課程時，一定要與實際的工業生產和產品加工相聯系。另外，高分子物理是一門實驗科學［4－7］，很多理論知識都是由于先觀察到某種實驗現象，為了合理解釋實驗現象而建立起來的，因此，講授高分子物理時一定要理論與實踐相結合。

旋轉流變儀是現代流變儀中的重要組成部分，它依靠旋轉運動來產生簡單剪切流動，用來快速確定高分子材料的模量、黏度及黏彈性等性能參數。黏彈性可以為高分子的加工和應用提供力學方面的依據，也可以提供聚合物結構和分子運動的信息［8］。因此在講授高分子物理課程時，可以借助旋轉流變儀進行演示教學，可以收到事半功倍的效果。

1 旋轉流變儀工作原理

旋轉流變儀分為同軸圓筒式、錐板式和平板式3種，如圖1所示。將待測液體置于兩同軸圓筒的環形空間（同軸圓筒式），或平板與錐體的間隙內（錐板式），或平板與平板的間隙內（平板式），通過圓筒、錐板或平板的旋轉，使試樣受到剪切，測定轉矩值M和角頻率ω，便可以得到流體的剪切應力和剪切速率，進而計算出黏度。若將應力或應變以交變形式作用在高分子試樣上，即可測定其動態黏彈性。

旋轉型流變儀的測試模式一般可分為穩態測試、瞬態測試和動態測試，區分它們的標準是應變或應力施加的方式。穩態測試采用連續的旋轉來施加應變或應力以得到恒定的剪切速率，在剪切流動達到穩態時，測量由于流體形變而產生的扭矩。瞬態測試是指通過施加瞬時應變（速率）或應力來測量流體的響應隨時間的變化。動態測試主要指對流體施加振蕩的應變或應力，測量流體響應的應力或應變。在動態測試中，可以使用在被測試材料共振頻率下的自由振蕩，或者采用在固定頻率下的正弦振蕩。這兩種方式都可用來測量黏度和模量，不同的是在固定頻率下的正弦振蕩測試，在得到材料性能頻率依賴性的同時，還可得到其性能的應變或應力依賴性［9－11］。

圖1 旋轉流變儀示意圖

2 旋轉流變儀在高分子物理教學實驗中的應用優勢

2.1 有助于更好地掌握聚合物的特征溫度

玻璃化轉變溫度Tg與熔融溫度Tm是聚合物最重要的2個特征溫度，Tg是非晶態熱塑性塑料使用的上限溫度，是橡膠使用的下限溫度，而Tm是晶態塑料和纖維使用的上限溫度。對于Tg與Tm的認識必然要涉及到高分子鏈結構因素、外界條件因素等諸多內容［12］。在高分子物理課程中講清特征溫度的概念，對于幫助學生充分認識聚合物的結構特點、理解聚合物的結構與性能之間的關系、以及用分子運動的觀點討論各領域里的實際問題，具有重要意義。在教學中，教師如果能將涉及這兩種特征溫度的相關內容做一個合并串講，并對某幾種代表性的聚合物進行特征溫度的測定演示，對提高教學效果會有很大幫助。

通過配備合適的固體夾具配件，旋轉流變儀可以對固體聚合物進行扭擺測試（DMTA），測定聚合物的動態模量（G′、G″）或者力學損耗tanδ隨溫度變化的關系曲線。一般來講，固體特性都和溫度有關。通過對玻璃化轉變溫度Tg和低于轉變溫度時的儲存模量G′的測量，可以獲取最大使用溫度、沖擊強度、脆性和剛性等方面的信息。對于結晶聚合物，其熔融溫度Tm是另外一個重要的材料參數，DMTA測試可以同時獲得Tm數據。相應的測試曲線如圖2所示。通過測量常見聚合物的特征溫度，可以促進學生加深對三大合成材料（塑料、橡膠、纖維）的認識以及對聚合物結構－性能關系的理解。

圖2 非晶聚合物與結晶聚合物的DMTA測試曲線

2.2 有助于研究高分子合金的相容性

兩種不同的聚合物能否混合在一起以及混合后兩種組分的分散程度主要取決于這兩種聚合物的相容性。有許多判別聚合物相容性的方法，其中以共混體系的玻璃化轉變溫度判斷相容性的方法最為通用和有效。通過旋轉流變儀進行溫度掃描可以快速有效地給出高分子合金中兩相間的相容性，玻璃化轉變可以用儲能模量的突變和內耗曲線的轉變峰來確定。該方法的靈敏度比差示掃描量熱法（DSC）和熱機械分析法（TMA）還要高出1～2個數量級，甚至是第三級轉變都能檢測到，這是其他檢測手段所無法比擬的。

2.3 有助于表征聚合物的分子量及分子量分布

分子量及分子量分布是聚合物材料重要的物性參數之一，為了兼顧使用性能和加工性能兩方面的要求，需要對聚合物的分子量及分布加以控制。通過旋轉流變儀測量剪切黏度與剪切速率或剪切應力之間的關系曲線，若剪切速率足夠低，可得到恒定的黏度，即所謂的零剪切黏度。實驗表明，零剪切黏度取決于聚合物的平均分子量；通過不同溫度下的頻率掃描、應力松弛和蠕變實驗，可以得到主曲線，從而計算出連續松弛時間譜，利用聚合物分析軟件包可以方便地定量計算出有關分子量及分子量分布的結果。較之凝膠滲透色譜（GPC）及其他分子量測試方法，該方法的優點在于無需使用任何溶劑。這就大大節省了實驗時間，減小對環境的污染，甚至可以對GPC很難完成的如超高分子量聚乙烯、聚四氟乙烯等聚合物進行分子量及分布的表征，分子量越大，測試的靈敏度越高。

2.4 有助于了解熱塑性材料不同條件下的流動性能

在低剪切速率或角頻率下，聚合物的黏度與剪切速率或角頻率無關，即存在零剪切黏度。零剪切黏度與聚合物的重均分子量Mw密切相關。利用時溫疊加（TTS）和Cox－Merz法則，可以得到更寬剪切速率范圍下的黏度曲線（主曲線），主曲線有助于了解熱塑性材料在不同剪切和加工條件下的流動性能。

2.5 有助于理解影響聚合物熔體黏度和流動性的因素

聚合物的分子量對其低剪切速率下的黏度、分子量分布及支化度對黏度與剪切速率的關系都有很大的影響。其他測試手段如熔體流動速率或毛細管流變儀對低剪切速率下這些結構的差別并不敏感。

2.6 有助于了解橡膠的分子結構

分子量、分子量分布及支化都可以通過流變測試來表征。從旋轉流變儀的動態力學測量中可以很好地了解橡膠的分子結構，進而解決產品和工藝問題。因為橡膠的分子結構與加工性密切相關，采用在線流變儀還可以對橡膠生產過程中的工藝參數進行控制。

2.7 有助于了解聚合物材料的黏彈性

高分子材料力學松弛的Boltzmann疊加、交變力場中的高分子材料應變落后于應力的滯后現象及由此產生的力學損耗，均是高分子材料黏彈性的體現。黏彈性的研究非常重要，它可以為聚合物的加工應用提供力學方面的依據，同時也可以提供聚合物分子結構和分子運動的信息，因而黏彈性是高分子物理課程中的重點教學內容。

使用旋轉流變儀可以更好地揭示聚合物的動態黏彈性能，小振幅振蕩測試作為便捷的測試方法，經常用于同時測量聚合物的彈性和黏性特征，從中可以獲得聚合物的儲存模量、損耗模量、內耗、復數黏度與溫度或頻率的關系。為了在更寬的頻率范圍內研究剪切模量與頻率的關系，還可以選取較高的基準溫度，利用時溫等效原理，得到時溫疊加曲線。

3 結束語

在高分子物理教學中，通過“聚合物的流變性能”這部分有關旋轉流變儀的學習以及通過有關旋轉流變儀的基本操作實驗之后，學生對旋轉流變儀的操作原理都已經比較熟悉。利用旋轉流變儀可以快速確定高分子材料的模量、黏度及黏彈性等性能參數，從而提供聚合物分子結構和分子運動的內部信息，這對理解聚合物材料的性能十分重要。借助旋轉流變儀進行高分子物理課程演示教學，分析流變實驗中所體現出來的具體的高分子物理問題，一定會加深學生對高分子物理相關知識的理解和鞏固。實踐證明這種教學方法簡單直觀，教學效果良好。

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［1］金日光，華幼卿.高分子物理［M］.2版.北京：化學工業出版社，2000.

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［6］朱平平，何平笙，楊海洋.淺談高分子物理課程的教學方法［J］.高分子通報，2007（8）：55－59.

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［8］顧國芳，浦鴻汀.聚合物流變學基礎［M］.上海：同濟大學出版社，2000.

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