旋转流变仪在高分子物理教学实验中的应用

刘晶如，俞 强，朱梦冰

（常州大学 材料科学与工程学院，江苏 常州 213164）

高分子物理是高分子材料与工程专业以及材料化学专业的一门专业基础课，该课程的教学目标［1－3］是向学生传授高分子结构与性能的基础理论知识，介绍高分子的研究方法，使学生通过该课程的学习能较好地掌握高分子物理的基本概念和基础理论，为后续专业课程的学习打下坚实的基础。由于高分子物理的很多理论知识与生产实践密切相关，因此在讲授这门课程时，一定要与实际的工业生产和产品加工相联系。另外，高分子物理是一门实验科学［4－7］，很多理论知识都是由于先观察到某种实验现象，为了合理解释实验现象而建立起来的，因此，讲授高分子物理时一定要理论与实践相结合。

旋转流变仪是现代流变仪中的重要组成部分，它依靠旋转运动来产生简单剪切流动，用来快速确定高分子材料的模量、黏度及黏弹性等性能参数。黏弹性可以为高分子的加工和应用提供力学方面的依据，也可以提供聚合物结构和分子运动的信息［8］。因此在讲授高分子物理课程时，可以借助旋转流变仪进行演示教学，可以收到事半功倍的效果。

1 旋转流变仪工作原理

旋转流变仪分为同轴圆筒式、锥板式和平板式3种，如图1所示。将待测液体置于两同轴圆筒的环形空间（同轴圆筒式），或平板与锥体的间隙内（锥板式），或平板与平板的间隙内（平板式），通过圆筒、锥板或平板的旋转，使试样受到剪切，测定转矩值M和角频率ω，便可以得到流体的剪切应力和剪切速率，进而计算出黏度。若将应力或应变以交变形式作用在高分子试样上，即可测定其动态黏弹性。

旋转型流变仪的测试模式一般可分为稳态测试、瞬态测试和动态测试，区分它们的标准是应变或应力施加的方式。稳态测试采用连续的旋转来施加应变或应力以得到恒定的剪切速率，在剪切流动达到稳态时，测量由于流体形变而产生的扭矩。瞬态测试是指通过施加瞬时应变（速率）或应力来测量流体的响应随时间的变化。动态测试主要指对流体施加振荡的应变或应力，测量流体响应的应力或应变。在动态测试中，可以使用在被测试材料共振频率下的自由振荡，或者采用在固定频率下的正弦振荡。这两种方式都可用来测量黏度和模量，不同的是在固定频率下的正弦振荡测试，在得到材料性能频率依赖性的同时，还可得到其性能的应变或应力依赖性［9－11］。

图1 旋转流变仪示意图

2 旋转流变仪在高分子物理教学实验中的应用优势

2.1 有助于更好地掌握聚合物的特征温度

玻璃化转变温度Tg与熔融温度Tm是聚合物最重要的2个特征温度，Tg是非晶态热塑性塑料使用的上限温度，是橡胶使用的下限温度，而Tm是晶态塑料和纤维使用的上限温度。对于Tg与Tm的认识必然要涉及到高分子链结构因素、外界条件因素等诸多内容［12］。在高分子物理课程中讲清特征温度的概念，对于帮助学生充分认识聚合物的结构特点、理解聚合物的结构与性能之间的关系、以及用分子运动的观点讨论各领域里的实际问题，具有重要意义。在教学中，教师如果能将涉及这两种特征温度的相关内容做一个合并串讲，并对某几种代表性的聚合物进行特征温度的测定演示，对提高教学效果会有很大帮助。

通过配备合适的固体夹具配件，旋转流变仪可以对固体聚合物进行扭摆测试（DMTA），测定聚合物的动态模量（G′、G″）或者力学损耗tanδ随温度变化的关系曲线。一般来讲，固体特性都和温度有关。通过对玻璃化转变温度Tg和低于转变温度时的储存模量G′的测量，可以获取最大使用温度、冲击强度、脆性和刚性等方面的信息。对于结晶聚合物，其熔融温度Tm是另外一个重要的材料参数，DMTA测试可以同时获得Tm数据。相应的测试曲线如图2所示。通过测量常见聚合物的特征温度，可以促进学生加深对三大合成材料（塑料、橡胶、纤维）的认识以及对聚合物结构－性能关系的理解。

图2 非晶聚合物与结晶聚合物的DMTA测试曲线

2.2 有助于研究高分子合金的相容性

两种不同的聚合物能否混合在一起以及混合后两种组分的分散程度主要取决于这两种聚合物的相容性。有许多判别聚合物相容性的方法，其中以共混体系的玻璃化转变温度判断相容性的方法最为通用和有效。通过旋转流变仪进行温度扫描可以快速有效地给出高分子合金中两相间的相容性，玻璃化转变可以用储能模量的突变和内耗曲线的转变峰来确定。该方法的灵敏度比差示扫描量热法（DSC）和热机械分析法（TMA）还要高出1～2个数量级，甚至是第三级转变都能检测到，这是其他检测手段所无法比拟的。

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参数之一，为了兼顾使用性能和加工性能两方面的要求，需要对聚合物的分子量及分布加以控制。通过旋转流变仪测量剪切黏度与剪切速率或剪切应力之间的关系曲线，若剪切速率足够低，可得到恒定的黏度，即所谓的零剪切黏度。实验表明，零剪切黏度取决于聚合物的平均分子量；通过不同温度下的频率扫描、应力松弛和蠕变实验，可以得到主曲线，从而计算出连续松弛时间谱，利用聚合物分析软件包可以方便地定量计算出有关分子量及分子量分布的结果。较之凝胶渗透色谱（GPC）及其他分子量测试方法，该方法的优点在于无需使用任何溶剂。这就大大节省了实验时间，减小对环境的污染，甚至可以对GPC很难完成的如超高分子量聚乙烯、聚四氟乙烯等聚合物进行分子量及分布的表征，分子量越大，测试的灵敏度越高。

2.4 有助于了解热塑性材料不同条件下的流动性能

在低剪切速率或角频率下，聚合物的黏度与剪切速率或角频率无关，即存在零剪切黏度。零剪切黏度与聚合物的重均分子量Mw密切相关。利用时温叠加（TTS）和Cox－Merz法则，可以得到更宽剪切速率范围下的黏度曲线（主曲线），主曲线有助于了解热塑性材料在不同剪切和加工条件下的流动性能。

2.5 有助于理解影响聚合物熔体黏度和流动性的因素

聚合物的分子量对其低剪切速率下的黏度、分子量分布及支化度对黏度与剪切速率的关系都有很大的影响。其他测试手段如熔体流动速率或毛细管流变仪对低剪切速率下这些结构的差别并不敏感。

2.6 有助于了解橡胶的分子结构

分子量、分子量分布及支化都可以通过流变测试来表征。从旋转流变仪的动态力学测量中可以很好地了解橡胶的分子结构，进而解决产品和工艺问题。因为橡胶的分子结构与加工性密切相关，采用在线流变仪还可以对橡胶生产过程中的工艺参数进行控制。

2.7 有助于了解聚合物材料的黏弹性

高分子材料力学松弛的Boltzmann叠加、交变力场中的高分子材料应变落后于应力的滞后现象及由此产生的力学损耗，均是高分子材料黏弹性的体现。黏弹性的研究非常重要，它可以为聚合物的加工应用提供力学方面的依据，同时也可以提供聚合物分子结构和分子运动的信息，因而黏弹性是高分子物理课程中的重点教学内容。

使用旋转流变仪可以更好地揭示聚合物的动态黏弹性能，小振幅振荡测试作为便捷的测试方法，经常用于同时测量聚合物的弹性和黏性特征，从中可以获得聚合物的储存模量、损耗模量、内耗、复数黏度与温度或频率的关系。为了在更宽的频率范围内研究剪切模量与频率的关系，还可以选取较高的基准温度，利用时温等效原理，得到时温叠加曲线。

3 结束语

在高分子物理教学中，通过“聚合物的流变性能”这部分有关旋转流变仪的学习以及通过有关旋转流变仪的基本操作实验之后，学生对旋转流变仪的操作原理都已经比较熟悉。利用旋转流变仪可以快速确定高分子材料的模量、黏度及黏弹性等性能参数，从而提供聚合物分子结构和分子运动的内部信息，这对理解聚合物材料的性能十分重要。借助旋转流变仪进行高分子物理课程演示教学，分析流变实验中所体现出来的具体的高分子物理问题，一定会加深学生对高分子物理相关知识的理解和巩固。实践证明这种教学方法简单直观，教学效果良好。

（

）

［1］金日光，华幼卿.高分子物理［M］.2版.北京：化学工业出版社，2000.

［2］何曼君，陈维孝，董西侠.高分子物理［M］.修订版.上海：复旦大学出版社，1990.

［3］马德柱，何平笙，徐种德.高聚物的结构与性能［M］.2版.北京：科学出版社，1995.

［4］徐世爱.改善高分子物理教学效果的几点措施［J］.化工高等教育，2013（2）：80－83.

［5］何平笙，朱平平，杨海洋.在“高聚物的结构与性能”课程中讲透高聚物的特点［J］.高分子通报，2001（5）：74－79.

［6］朱平平，何平笙，杨海洋.浅谈高分子物理课程的教学方法［J］.高分子通报，2007（8）：55－59.

［7］吴广峰，杨智慧.高分子物理实验教学改革的研究与实践［J］.化工高等教育，2013（1）：51－53.

［8］顾国芳，浦鸿汀.聚合物流变学基础［M］.上海：同济大学出版社，2000.

［9］周持兴.聚合物流变实验与应用［M］.上海：上海交通大学出版社，2003.

［10］梁基照.聚合物材料加工流变学［M］.北京：国防工业出版社，2008.

［11］吴其晔，巫静安.高分子材料流变学［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［12］贺昌城.聚合物几种特征温度的合并串讲教学［J］.高分子材料科学与工程，2009，25（1）：169－172.