基于高分子加工实验教学的流变学实验设计

姚雪亮 常志宏

[关键词] 加工成型;流变;教学

[基金项目] 2019年度同济大学第十五期实验教学改革专项基金“MARS40平板流变仪在高分子专业实验中的应用”（0500104114）

[作者简介] 姚雪亮（1989—），男，甘肃兰州人，工学学士，同济大学材料科学与工程学院助理实验师，实验员，主要从事高分子材料实验研究;常志宏（1979—），女，内蒙古呼和浩特人，工学博士，同济大学材料科学与工程学院副教授，主要从事高分子材料降解研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）17-0069-04 [收稿日期] 2021-12-31

引言

作为高分子材料方向的核心课程，“高分子流变学”对于高分子材料加工有着重要的指导意义，其主要任务之一就是利用流变学相关测试及分析为高聚物加工成型服务。流变特性的测量是聚合反应工程、聚合物加工工程、加工设备和模具设计制造中研究流场和温度场的基础，也是验证和指导本构方程理论研究与发展的基础。[1]聚合物典型加工过程的流变学分析是流变学原理在加工工艺和加工设备设计上的具体应用。[2]但在高聚物加工实验教学过程中，学生往往难以深入理解，在实验过程中将流变学基本规律与加工过程联系起来很难。[3]因此，在高分子成型加工实验教学中，怎样将生产实践与基础理论相结合，运用理论知识来指导和解决实际生产中出现的问题是本课程教学的难点。

在实际教学中，在始终专注于教学主线的同时，还需将生产实际与高分子成型加工的基本理论相结合，使学生更好地了解本课程的主题思想。例如，在中空吹塑成型实验时，可以向学生扩展介绍常用包装容器的主要原材料（PP、PE、PET等）及其主要加工工艺（挤出吹塑、注塑吹塑、注塑—压制成型等）。不同特性的容器具使用的加工方法和成型工艺都各有不同，从而说明了制品性能与成型加工工艺之间的关系。通过不同成型加工方法及工艺特点相互比较，可以使学生将具体实践与理论课程所学知识相结合，对本实验的教学内容达到融会贯通的效果，进一步强化了学生的专业知识，取得了良好的教学效果。[4]

大连理工大学王艳色等人研究发现，在开放式实验教学应用中引进大型测试设备，在完善教材、教学实验内容的基础上，进一步拓展了实验内容，实验目的从熟悉的单一知识过渡到强调多元知识之间的联系，引导学生积极参与实验，不仅培养学生综合运用知识的能力，激发学生积极思考，引导学生主动参与实验教学的兴趣，培养学生的思维判断能力和竞争力，而且提高实验教学的实效。同时，大型仪器实验教学中普遍存在的“空闲时间”问题也得到了解决。[5]因此，笔者尝试通过在现有高分子加工成型实验中引入MARS400平板旋转流变仪的应用，通过对高分子加工成型实验中的原材料及产物流变性能的表征，加强学生对热塑性聚合物在加工过程中状态变化的理解和对加工工艺参数的分析能力，并通过对加工产品的流变性能分析，反应不同加工工艺参数对加工产品性能的影响，从而使学生对高分子加工成型工艺参数的设计有一个初步的认识和理解。

目前，常见的流变测试仪器有毛细管流变仪、哈克流变仪及旋转流变仪。旋转流变仪又分为圆筒式旋转流变仪、锥板旋转流变仪及平板旋转流变仪。旋转流变仪的测试模式可分为稳态测试和瞬态测试。它们的区别在于施加应变或应力的方式。稳态测试使用连续旋转施加应变或应力以获得恒定剪切速率，并在剪切流达到稳态时测量流体变形产生的扭矩。瞬态测试是指通过施加瞬时应变率或应力来测量流体随时间的响应。动态测试主要是对流体施加振荡应变或应力，以测量流体响应的应力或应变。在动态测试中，可以使用被测材料共振频率下的自由振荡或固定频率下的正弦振荡。这两种方法都可用于测量黏度和模量，但不同之处在于，固定频率下的正弦振蕩试验可以获得材料特性的应变或应力依赖性，以及材料特性的频率依赖性。

一、实验目的

在目前广泛开展的加工实验中，流变学分析对于混炼、热压、挤出、注塑等常见的聚合物加工成型实验有着重要的指导意义。笔者基于目前开展的“纳米插层聚合物基复合材料挤出成型”实验项目，拓展原有实验内容，引入旋转流变仪作为基本表征设备，对改性前后的材料进行流变性能测试及分析，提高学生对于聚合物加工过程中流变学分析的应用能力。

二、实验设计

（一）实验原料及设备

1.实验原料：聚丙烯、马来酸酐接枝聚丙烯、改性蒙脱土、抗氧剂1010。

2.实验设备：双螺杆挤出机（CET-5000）、平板旋转流变仪（MARS400）（见图1）。

（二）实验原理

旋转流变仪是研究高分子材料流变性能的重要测试设备，不仅可用于测量聚合物流体的黏度，还能在较宽的频率、温度范围内研究聚合物的动态黏弹性，从而揭示聚合物体系内在的结构—性能—分子运动间的相互关系。[6]

在聚合物加工中，剪切流变、拉伸流变及黏弹性流变是解决加工参数问题的关键。例如绝大部分加工设备利用高聚物剪切变稀的特性，采取增强剪切作用的方式，提高热塑性聚合物的塑化效果并提高加工产品的质量，而聚合物特有的黏弹性则会在加工过程中产生挤出胀大、熔体破裂等现象。

平板旋转流变仪依靠旋转运动来产生简单的剪切流动，可以快速表征材料的黏弹性能，比如黏度（η）、储能模量（G’）、损耗模量（G’’）和损耗角正切（tanδ）等，因此被广泛应用于研究高聚物的力学响应和结构松弛行为，以此来指导加工工艺的制定。特别是无机粒子的填充，对聚合物的结构松弛时间有着很大的影响，从而影响相关的加工工艺设置。

（三）实验步骤

1.将平板旋转流变仪升温至180℃，在夹具上放置一颗聚丙烯粒料，下压夹具至间隙为1mm，刮去夹具边缘溢出熔体，降温至25℃。

2.设置应变为1%，频率为1Hz，进行25℃～190℃温度动态频率扫描，获得G’、G’’及tanδ随温度的变化曲线。

3.利用挤出造粒设备，制备无机粒子含量不同的5组纳米插层改性聚丙烯，均按照步骤2的测试方法进行温度动态频率扫描测试。

（四）结果分析

通过对比发现，不同组样品的松弛时间随着无机粒子填充料的增多而增长。这表明，所填充的改性蒙脱土纳米粒子与聚丙烯分子链之间存在相互作用，并且阻碍了聚合物分子链的运动。

在挤出成型中，当高分子材料所受剪切速率超过临界剪切速率时，挤出物表面出现畸变直至无规则破裂的现象称为熔体破裂。[7]对比观察不同组分的改性聚丙烯在加工过程中同一工艺参数下的不同状态，特别是留意是否发生熔体破裂现象。对于发生熔体破裂的样品，进一步观察表面粗糙度及破裂规律情况，进而分析不同材料在模口处的应力分布不同，并通过流变测试结果，分析相同加工工艺前提下，不同组样品加工结果的不同原因，并根据原因分析加工工艺参数的设定合理性。

结语

挤出成型工艺中最重要的部分是螺杆挤出机，因此应详细说明螺杆挤出机的工艺特点，例如螺杆为何具有强大的混合效果。然后根据几个重要的结论方程讨论了螺杆挤出机的工作特性：螺杆头压力与产量之间的关系是什么，如何实现挤出机和挤出模的稳定工作点。对典型加工过程中几种常用的流变学分析应适当避免烦琐的数学推导，引导学生注重实际的流程分析，使学生对常用加工机械及其工艺特点有深刻地了解，拓宽学生的思维方式和学会分析问题的方法，把分析问题和解决问题的能力放在以后的研究和工作实践中。[2]

笔者基于已在实验教学中开展的“纳米插层聚合物基复合材料的挤出成型”实验项目，充分利用大型测试仪器资源，将平板旋转流变仪引入实验教学工程中去，并通过一系列的测试分析，将挤出成型过程中的工艺参数的设定与其动态黏弹性联系起来，鼓励学生利用聚合物流变学分析理论和手段进行合理的加工工艺参数调节，提高学生聚合物加工成型实验过程中的分析能力和实践能力。在教学过程中需要充分利用线上线下混合课程的优势，在实验开展前注意让学生及时回顾聚合物流变学的基本知识，包括高聚物熔体流变行为的特点、流变学基本测试方法等。在实验讲授中要注意结合设备操作演示，介绍常见的流体模型及其应用，从而方便理解影响聚合物流变行为的主要因素，以及各种因素对聚合物加工工艺的影响。

在未来的实验教学过程中，流变性能测试分析不应该局限于对挤出造粒加工成型过程的工艺分析，可以在双辊炼塑、注塑成型、吹塑成型等多种加工成型工艺中，通过对实验原料及产品的流变性能测试分析，帮助学生加强对加工过程中高聚物物理形态变化的理解，加深对加工工艺影响最终产品的认识，学会通过合理的测试分析，精细化调节加工工艺参数，从而初步具备利用理论知识解决实际问题的能力和手段。同时，为了进一步促进学生对于流变性能在加工工艺中应用的理解和掌握，应当在实验教学过程中，适当地引入部分较成熟的前沿科研课题实验，例如通过高分子流变性能分析不同材料的支化结构及性能，从而分析HDPE和LDPE发泡性能的不同，以及如何通过工艺参数的调整共混制备性能优异的发泡聚乙烯母料，等等。[8]

在本课程的建设过程中，还可以根据需要融入一定的课程思政建设内容，充分发挥流变学中对立统一的辩证思想。例如在廖华勇等人的研究中提到，在模具设计中，考虑到塑件壁太厚不好，因为太厚形成温度梯度，容易产生内应力及气泡、缩孔;太薄也不好，流动阻力大，容易出现不完全充模的现象。浇注系统中的浇口也有类似的问题。浇口小、剪切速率大、摩擦生热使得塑料熔体温度升高，对于一般的假塑性流体，有利于增加流动性，但浇口两侧的压差会增加，使流动阻力增加。浇口大，则浇口冻结时间长，而且浇口切除困难。所以，塑件注塑成型常用小浇口。这是矛盾的一般性，但矛盾又存在特殊性。例如在有些情况下不宜采用小澆口，而应采用大浇口，如热敏性塑料、接近牛顿性流体的塑料、大型塑件等。因为在这些情况下，小浇口的优势发挥不出来，采用大浇口反而有利。[8]郝文涛等人的研究中选择了部分比较典型的概念，包括流动与变形、假塑性与胀塑性、触变性与反触变性等，分析了它们的内在联系，指出了其对立统一性。通过对这些形式上对立、内涵上统一的概念进行辨析，在教学过程中帮助学生快速掌握了高分子材料的复杂流动行为特征，同时帮助学生深刻理解了高分子结构与性能关系。[9]由此可见，在高分子加工成型实验中引入流变性能的测试与分析，不仅有助于提高加工成型实验本身的深度与广度，加强学生对于加工工艺参数的理解和掌握，还可以深挖其内涵，促进实验教学中课程思政的建设，践行“三全育人”的理念。

参考文献

[1]王艳色，李战胜，唐萍，等.“聚合物流变性能的测试”实验教学改革与实践[J].化工高等教育，2017，34（2）：63-65+81.

[2]陶勇，王新，胡海青.针对工科专业的高分子材料流变学教学实践和体会[J].高分子通报，2021（2）：78-82.

[3]张荣，胡圣飞，刘清亭.高分子流变学规律的教学与实际应用[J].广东化工，2016，43（8）：196+191.

[4]杨斌，夏茹，钱家盛，等.基于制品设计与工艺优化的高分子成型加工实验教学研究[J].广东化工，2013，40（17）：204+206.

[5]劉晶如，俞强，朱梦冰.旋转流变仪在高分子物理教学实验中的应用[J].实验技术与管理，2014，31（4）：93-95.

[6]疏瑞文.流变仪在高分子物理实验教学中的应用[J].广州化工，2016，44（14）：229-230.

[7]陈晓明.高分子材料支化结构与流变性的联系串讲[J].高分子通报，2015（7）：86-88.

[8]廖华勇.高分子成型加工及流变学科研与教学[J].教育教学论坛，2016（44）：236-237.

[9]郝文涛，杨文.高分子流变学中的对立统一概念[J].化工时刊，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