流變儀在高分子物理實驗教學中的應用

疏瑞文

(安徽理工大學化學工程學院，安徽　淮南　232001)

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流變儀在高分子物理實驗教學中的應用

疏瑞文

(安徽理工大學化學工程學院，安徽淮南232001)

將流變儀應用于高分子物理實驗教學，可以使學生加深對高分子物理理論課中聚合物粘彈性與流變性能的理解。簡要介紹了旋轉流變儀的基本原理和主要檢測功能，并通過一些實例闡述了旋轉流變儀在高分子物理實驗教學中的具體應用。該實驗的設置可以使學生通過實驗鞏固高分子物理知識，分析流變實驗中體現的具體的高分子物理問題，更好地理解與掌握高分子科學的基本理論。

流變儀；高分子物理實驗；教學應用

高分子物理是高分子材料相關專業的本科必修專業基礎課，主要研究聚合物的結構-性能-分子運動之間的關系[1]。通過開設高分子物理實驗，一方面可以使學生增加感性認識，加深對課堂理論知識的理解，另一方面可以使學生掌握聚合物結構和性能測定的基本方法，培養學生的實驗技能。

聚合物流變性能測試是觀察高分子材料內部結構的窗口，不僅可以認識聚合物的結構與性能的關系，還能簡便高效地進行高分子材料的質量檢測和質量控制，從而對其加工成型過程提供理論指導[2]。旋轉流變儀是研究高分子材料流變性能最重要的流變學測試系統，它不僅可以測量聚合物流體的粘度，還能在較寬的頻率、溫度范圍內研究聚合物的動態粘彈性，從而揭示聚合物體系內在的結構-性能-分子運動之間的關系[2]。為了激發學生對高分子物理理論課程和實驗教學的學習積極性，安徽理工大學化學工程學院應用化學專業從2011年秋季學期開始，將旋轉流變儀應用于本科高分子物理實驗教學，讓學生接觸本學科的先進實驗儀器，加深對高分子物理理論課中聚合物粘彈性與流變性能章節的理解。

1　旋轉流變儀的功能簡介

旋轉流變儀依靠旋轉運動來產生簡單剪切流動，可以快速表征材料的粘彈性能，比如粘度(η)、 儲能模量(G′)、損耗模量(G″)和損耗角正切(tanδ)等。應用化學專業高分子物理實驗所用流變儀為美國TA儀器公司生產的AR-G2應力控制型旋轉流變儀，如圖1所示。AR-G2流變儀的測試夾具可以是平行板、錐板和同軸圓筒，測試模式有穩態模式、瞬態模式和動態模式，測試方法包括動態頻率掃描、時間掃描、溫度掃描、應變掃描、蠕變及應力松弛等。旋轉流變儀目前廣泛用于表征聚合物體系的力學松弛和流變性能。例如，通過動態頻率掃描，可以表征不同高分子材料的力學響應和結構松弛行為；通過動態溫度掃描，觀察G′的突變和tanδ隨溫度變化曲線的轉變峰，可以獲得有關聚合物材料的玻璃化轉變溫度(Tg)。此外，通過在AR-G2流變儀上裝配相關的附件(顯微鏡、剪切池、光散射等)，還可以獲得額外的信息，從而拓展流變儀的應用領域。

圖1　AR-G2應力控制型流變儀

2　旋轉流變儀在高分子物理實驗教學中的應用

2.1聚合物溶液的纏結濃度的測定

當高分子以分子狀態分散在溶劑中所形成均相體系稱為高分子溶液，目前廣泛應用于涂料、粘合劑和纖維紡絲等領域。聚合物在水溶液中的構象隨著溶液濃度的改變而發生變化。當聚合物濃度很低時，聚合物以“鏈段云”的形態無規分布在溶液，呈無規線團構象，分子間無相互作用，溶液粘度低；增加聚合物的濃度到某一臨界值，“鏈段云”開始接觸，此時的臨界濃度為臨界交疊濃度(c*)，聚合物溶液進入亞濃溶液區；進一步增加聚合物濃度，聚合物分子鏈間發生纏結、交聯，稱為聚合物濃溶液，此時的濃度定義為纏結濃度(ce)[2]。高分子材料的加工對象主要涉及聚合物溶液和熔體，因此，對聚合物溶液的臨界濃度參數c*、ce的研究不僅具有理論意義，而且具有重要的實用價值。

通過流變實驗，借助烏氏粘度計和旋轉流變儀，可以測定一系列不同濃度的聚合物溶液的增比粘度(ηsp)，并繪制ηsp-c曲線，通過曲線擬合和標度率確定c*和ce的值。Qiao等[3]研究了明膠水溶液的粘度隨濃度的變化關系，發現添加無機鹽NaCl后，明膠溶液的c*和ce均有一定程度的降低。

2.2粒子填充聚合物復合體系流變性能的測定

為了提高聚合物基體的力學性能和耐熱性，填充復合改性(在聚合物基體中填充無機納米粒子)是一種有效的方法。通過動態流變性能的測定，可以研究填充無機粒子的體積分數、形狀對復合體系的彈性、力學松弛時間和玻璃化轉變溫度等的影響。筆者帶著學生通過平板硫化機制備了一系列不同SiO2粒子含量的聚丙烯(PP)試樣，研究了復合體系在熔融溫度下的流變性能。結果發現，松弛時間(τ)(定義為G′=G″時對應的角頻率的倒數)隨粒子填充含量的增加而增大，表明填充的無機納米粒子與聚合物分子鏈間存在相互作用，阻礙了分子鏈的運動，從而使得松弛時間增大。通過該實驗，學生掌握了平板硫化機制備圓片試樣的方法，認識無機粒子對聚合物基體的填充增強效應，為聚合物材料的復合改性打下了一定的基礎。

2.3聚合物-膠體懸浮液的聚集穩定性表征

2.4物理凝膠化的流變表征

聚合物水凝膠是一類能迅速吸收并保持大量水分而又不溶于水的三維網絡結構材料，目前廣泛在藥物控釋、細胞培養和廢水處理等領域。聚合物的溶液-凝膠轉變，即凝膠化的研究對認識聚合物水凝膠的優異性能的微觀來源和制備過程均具有重要的指導意義。戴琳等[6]通過動態頻率掃描跟蹤了不同濃度的結冷膠水溶液的物理凝膠化轉變過程，并進一步借助Winter判據確定凝膠化點(Tgel)，利用逾滲模型(percolation model)獲得臨界凝膠的松弛臨界指數(n)和分形維數(df)。結果發現，隨著結冷膠濃度cg增大，Tgel升高，n值降低，表明結冷膠的凝膠化過程不具有普適性的臨界指數。該實驗可以讓學生充分掌握聚合物溶液的凝膠化轉變的理論知識，有助于學生深刻認識聚合物的濃度對其微觀結構的影響規律。

3　結　語

將“粒子填充聚合物熔體流變實驗” 引入高分子物理的實驗教學過程中，可以使學生了解旋轉流變儀的基本原理和操作步驟，掌握了數據處理求解松弛時間的方法，從而關聯聚合物結構-性能的高分子物理問題。教學實踐表明，開設該項實驗有助于學生對高分子物理相關章節的理論課的學習和理解，教學效果良好。

[1]華幼卿, 金日光. 高分子物理. 4版[M]. 北京: 化學工業出版社, 2013: 137-139.

[2]周持興. 聚合物流變實驗與應用[M]. 上海: 上海交通大學出版社, 2003: 1-7.

[3]Qiao C, Chen G, Li Y, et al. Viscosity properties of gelatin in solutions of monovalent and divalent Salts[J]. Korea-Australia Rheology Journal, 2013, 25 (4): 227-231.

[4]章莉娟, 鄭忠. 膠體與界面化學. 2版[M]. 廣州: 華南理工大學出版社, 2006: 140-142.

[5]Shu R, Yin Q, Xing H, et al. Colloidal and rheological behavior of aqueous graphene oxide dispersions in the presence of poly (ethylene glycol)[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2016, 488: 154-161.

[6]戴琳. 結冷膠水溶液凝膠化的臨界行為及臨界凝膠結構[D]. 廣州:華南理工大學, 2009.

Application of Rheometer in Polymer Physics Experiments Teaching

SHU Rui-wen

(School of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Anhui Huainan 232001, China)

Rheometer was used in the polymer physics experiment teaching, which could make the students deeply understood polymer viscoelasticity and rheological properties of polymer physics course. The basic principle and the main detection function ware briefly introduced, and the concrete application of the rotational rheometer in Polymer Physics experiment teaching was elaborated through some examples. The setting of the experiment could help the students to consolidate the knowledge of polymer physics and analyze the specific polymer physical problems in the rheological experiments, could contribute to better understand and master the basic theory of polymer science.

rheometer; Polymer Physics experiments; teaching application

疏瑞文(1987-)，男，博士，講師，主要從事功能高分子材料的開發和應用。

G643

A

1001-9677(2016)014-0229-02