基于高分子加工實驗教學的流變學實驗設計

姚雪亮 常志宏

[關鍵詞] 加工成型;流變;教學

[基金項目] 2019年度同濟大學第十五期實驗教學改革專項基金“MARS40平板流變儀在高分子專業實驗中的應用”（0500104114）

[作者簡介] 姚雪亮（1989—），男，甘肅蘭州人，工學學士，同濟大學材料科學與工程學院助理實驗師，實驗員，主要從事高分子材料實驗研究;常志宏（1979—），女，內蒙古呼和浩特人，工學博士，同濟大學材料科學與工程學院副教授，主要從事高分子材料降解研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）17-0069-04 [收稿日期] 2021-12-31

引言

作為高分子材料方向的核心課程，“高分子流變學”對于高分子材料加工有著重要的指導意義，其主要任務之一就是利用流變學相關測試及分析為高聚物加工成型服務。流變特性的測量是聚合反應工程、聚合物加工工程、加工設備和模具設計制造中研究流場和溫度場的基礎，也是驗證和指導本構方程理論研究與發展的基礎。[1]聚合物典型加工過程的流變學分析是流變學原理在加工工藝和加工設備設計上的具體應用。[2]但在高聚物加工實驗教學過程中，學生往往難以深入理解，在實驗過程中將流變學基本規律與加工過程聯系起來很難。[3]因此，在高分子成型加工實驗教學中，怎樣將生產實踐與基礎理論相結合，運用理論知識來指導和解決實際生產中出現的問題是本課程教學的難點。

在實際教學中，在始終專注于教學主線的同時，還需將生產實際與高分子成型加工的基本理論相結合，使學生更好地了解本課程的主題思想。例如，在中空吹塑成型實驗時，可以向學生擴展介紹常用包裝容器的主要原材料（PP、PE、PET等）及其主要加工工藝（擠出吹塑、注塑吹塑、注塑—壓制成型等）。不同特性的容器具使用的加工方法和成型工藝都各有不同，從而說明了制品性能與成型加工工藝之間的關系。通過不同成型加工方法及工藝特點相互比較，可以使學生將具體實踐與理論課程所學知識相結合，對本實驗的教學內容達到融會貫通的效果，進一步強化了學生的專業知識，取得了良好的教學效果。[4]

大連理工大學王艷色等人研究發現，在開放式實驗教學應用中引進大型測試設備，在完善教材、教學實驗內容的基礎上，進一步拓展了實驗內容，實驗目的從熟悉的單一知識過渡到強調多元知識之間的聯系，引導學生積極參與實驗，不僅培養學生綜合運用知識的能力，激發學生積極思考，引導學生主動參與實驗教學的興趣，培養學生的思維判斷能力和競爭力，而且提高實驗教學的實效。同時，大型儀器實驗教學中普遍存在的“空閑時間”問題也得到了解決。[5]因此，筆者嘗試通過在現有高分子加工成型實驗中引入MARS400平板旋轉流變儀的應用，通過對高分子加工成型實驗中的原材料及產物流變性能的表征，加強學生對熱塑性聚合物在加工過程中狀態變化的理解和對加工工藝參數的分析能力，并通過對加工產品的流變性能分析，反應不同加工工藝參數對加工產品性能的影響，從而使學生對高分子加工成型工藝參數的設計有一個初步的認識和理解。

目前，常見的流變測試儀器有毛細管流變儀、哈克流變儀及旋轉流變儀。旋轉流變儀又分為圓筒式旋轉流變儀、錐板旋轉流變儀及平板旋轉流變儀。旋轉流變儀的測試模式可分為穩態測試和瞬態測試。它們的區別在于施加應變或應力的方式。穩態測試使用連續旋轉施加應變或應力以獲得恒定剪切速率，并在剪切流達到穩態時測量流體變形產生的扭矩。瞬態測試是指通過施加瞬時應變率或應力來測量流體隨時間的響應。動態測試主要是對流體施加振蕩應變或應力，以測量流體響應的應力或應變。在動態測試中，可以使用被測材料共振頻率下的自由振蕩或固定頻率下的正弦振蕩。這兩種方法都可用于測量黏度和模量，但不同之處在于，固定頻率下的正弦振蕩試驗可以獲得材料特性的應變或應力依賴性，以及材料特性的頻率依賴性。

一、實驗目的

在目前廣泛開展的加工實驗中，流變學分析對于混煉、熱壓、擠出、注塑等常見的聚合物加工成型實驗有著重要的指導意義。筆者基于目前開展的“納米插層聚合物基復合材料擠出成型”實驗項目，拓展原有實驗內容，引入旋轉流變儀作為基本表征設備，對改性前后的材料進行流變性能測試及分析，提高學生對于聚合物加工過程中流變學分析的應用能力。

二、實驗設計

（一）實驗原料及設備

1.實驗原料：聚丙烯、馬來酸酐接枝聚丙烯、改性蒙脫土、抗氧劑1010。

2.實驗設備：雙螺桿擠出機（CET-5000）、平板旋轉流變儀（MARS400）（見圖1）。

（二）實驗原理

旋轉流變儀是研究高分子材料流變性能的重要測試設備，不僅可用于測量聚合物流體的黏度，還能在較寬的頻率、溫度范圍內研究聚合物的動態黏彈性，從而揭示聚合物體系內在的結構—性能—分子運動間的相互關系。[6]

在聚合物加工中，剪切流變、拉伸流變及黏彈性流變是解決加工參數問題的關鍵。例如絕大部分加工設備利用高聚物剪切變稀的特性，采取增強剪切作用的方式，提高熱塑性聚合物的塑化效果并提高加工產品的質量，而聚合物特有的黏彈性則會在加工過程中產生擠出脹大、熔體破裂等現象。

平板旋轉流變儀依靠旋轉運動來產生簡單的剪切流動，可以快速表征材料的黏彈性能，比如黏度（η）、儲能模量（G’）、損耗模量（G’’）和損耗角正切（tanδ）等，因此被廣泛應用于研究高聚物的力學響應和結構松弛行為，以此來指導加工工藝的制定。特別是無機粒子的填充，對聚合物的結構松弛時間有著很大的影響，從而影響相關的加工工藝設置。

（三）實驗步驟

1.將平板旋轉流變儀升溫至180℃，在夾具上放置一顆聚丙烯粒料，下壓夾具至間隙為1mm，刮去夾具邊緣溢出熔體，降溫至25℃。

2.設置應變為1%，頻率為1Hz，進行25℃～190℃溫度動態頻率掃描，獲得G’、G’’及tanδ隨溫度的變化曲線。

3.利用擠出造粒設備，制備無機粒子含量不同的5組納米插層改性聚丙烯，均按照步驟2的測試方法進行溫度動態頻率掃描測試。

（四）結果分析

通過對比發現，不同組樣品的松弛時間隨著無機粒子填充料的增多而增長。這表明，所填充的改性蒙脫土納米粒子與聚丙烯分子鏈之間存在相互作用，并且阻礙了聚合物分子鏈的運動。

在擠出成型中，當高分子材料所受剪切速率超過臨界剪切速率時，擠出物表面出現畸變直至無規則破裂的現象稱為熔體破裂。[7]對比觀察不同組分的改性聚丙烯在加工過程中同一工藝參數下的不同狀態，特別是留意是否發生熔體破裂現象。對于發生熔體破裂的樣品，進一步觀察表面粗糙度及破裂規律情況，進而分析不同材料在模口處的應力分布不同，并通過流變測試結果，分析相同加工工藝前提下，不同組樣品加工結果的不同原因，并根據原因分析加工工藝參數的設定合理性。

結語

擠出成型工藝中最重要的部分是螺桿擠出機，因此應詳細說明螺桿擠出機的工藝特點，例如螺桿為何具有強大的混合效果。然后根據幾個重要的結論方程討論了螺桿擠出機的工作特性：螺桿頭壓力與產量之間的關系是什么，如何實現擠出機和擠出模的穩定工作點。對典型加工過程中幾種常用的流變學分析應適當避免煩瑣的數學推導，引導學生注重實際的流程分析，使學生對常用加工機械及其工藝特點有深刻地了解，拓寬學生的思維方式和學會分析問題的方法，把分析問題和解決問題的能力放在以后的研究和工作實踐中。[2]

筆者基于已在實驗教學中開展的“納米插層聚合物基復合材料的擠出成型”實驗項目，充分利用大型測試儀器資源，將平板旋轉流變儀引入實驗教學工程中去，并通過一系列的測試分析，將擠出成型過程中的工藝參數的設定與其動態黏彈性聯系起來，鼓勵學生利用聚合物流變學分析理論和手段進行合理的加工工藝參數調節，提高學生聚合物加工成型實驗過程中的分析能力和實踐能力。在教學過程中需要充分利用線上線下混合課程的優勢，在實驗開展前注意讓學生及時回顧聚合物流變學的基本知識，包括高聚物熔體流變行為的特點、流變學基本測試方法等。在實驗講授中要注意結合設備操作演示，介紹常見的流體模型及其應用，從而方便理解影響聚合物流變行為的主要因素，以及各種因素對聚合物加工工藝的影響。

在未來的實驗教學過程中，流變性能測試分析不應該局限于對擠出造粒加工成型過程的工藝分析，可以在雙輥煉塑、注塑成型、吹塑成型等多種加工成型工藝中，通過對實驗原料及產品的流變性能測試分析，幫助學生加強對加工過程中高聚物物理形態變化的理解，加深對加工工藝影響最終產品的認識，學會通過合理的測試分析，精細化調節加工工藝參數，從而初步具備利用理論知識解決實際問題的能力和手段。同時，為了進一步促進學生對于流變性能在加工工藝中應用的理解和掌握，應當在實驗教學過程中，適當地引入部分較成熟的前沿科研課題實驗，例如通過高分子流變性能分析不同材料的支化結構及性能，從而分析HDPE和LDPE發泡性能的不同，以及如何通過工藝參數的調整共混制備性能優異的發泡聚乙烯母料，等等。[8]

在本課程的建設過程中，還可以根據需要融入一定的課程思政建設內容，充分發揮流變學中對立統一的辯證思想。例如在廖華勇等人的研究中提到，在模具設計中，考慮到塑件壁太厚不好，因為太厚形成溫度梯度，容易產生內應力及氣泡、縮孔;太薄也不好，流動阻力大，容易出現不完全充模的現象。澆注系統中的澆口也有類似的問題。澆口小、剪切速率大、摩擦生熱使得塑料熔體溫度升高，對于一般的假塑性流體，有利于增加流動性，但澆口兩側的壓差會增加，使流動阻力增加。澆口大，則澆口凍結時間長，而且澆口切除困難。所以，塑件注塑成型常用小澆口。這是矛盾的一般性，但矛盾又存在特殊性。例如在有些情況下不宜采用小澆口，而應采用大澆口，如熱敏性塑料、接近牛頓性流體的塑料、大型塑件等。因為在這些情況下，小澆口的優勢發揮不出來，采用大澆口反而有利。[8]郝文濤等人的研究中選擇了部分比較典型的概念，包括流動與變形、假塑性與脹塑性、觸變性與反觸變性等，分析了它們的內在聯系，指出了其對立統一性。通過對這些形式上對立、內涵上統一的概念進行辨析，在教學過程中幫助學生快速掌握了高分子材料的復雜流動行為特征，同時幫助學生深刻理解了高分子結構與性能關系。[9]由此可見，在高分子加工成型實驗中引入流變性能的測試與分析，不僅有助于提高加工成型實驗本身的深度與廣度，加強學生對于加工工藝參數的理解和掌握，還可以深挖其內涵，促進實驗教學中課程思政的建設，踐行“三全育人”的理念。

參考文獻

[1]王艷色，李戰勝，唐萍，等.“聚合物流變性能的測試”實驗教學改革與實踐[J].化工高等教育，2017，34（2）：63-65+81.

[2]陶勇，王新，胡海青.針對工科專業的高分子材料流變學教學實踐和體會[J].高分子通報，2021（2）：78-82.

[3]張榮，胡圣飛，劉清亭.高分子流變學規律的教學與實際應用[J].廣東化工，2016，43（8）：196+191.

[4]楊斌，夏茹，錢家盛，等.基于制品設計與工藝優化的高分子成型加工實驗教學研究[J].廣東化工，2013，40（17）：204+206.

[5]劉晶如，俞強，朱夢冰.旋轉流變儀在高分子物理教學實驗中的應用[J].實驗技術與管理，2014，31（4）：93-95.

[6]疏瑞文.流變儀在高分子物理實驗教學中的應用[J].廣州化工，2016，44（14）：229-230.

[7]陳曉明.高分子材料支化結構與流變性的聯系串講[J].高分子通報，2015（7）：86-88.

[8]廖華勇.高分子成型加工及流變學科研與教學[J].教育教學論壇，2016（44）：236-237.

[9]郝文濤，楊文.高分子流變學中的對立統一概念[J].化工時刊，2021，35（6）：41-43+62.

Abstract： As an important experimental teaching content of polymer materials， processing molding experiment is one of the important courses in practical teaching of material specialty in colleges and universities. With the increasing requirements of experimental teaching， the traditional processing and molding experiments can not meet the training requirements of compound engineering talents. In this paper， on the basis of the existing experimental project of “extrusion molding of polymer-based nanocomposites”， we introduce the rheometer， a large-scale testing equipment， in which the rheological properties of raw materials and samples in the whole process of processing and forming are characterized in detail， which can improve the theoretical depth and teaching effect of processing and forming experiment. This paper can provide a new idea for the further reform and perfection of the teaching experiment of processing molding.

Key words： processing and forming; rheology; teaching