動態機械分析儀在高分子物理實驗教學中的應用實例

趙成吉

(吉林大學化學學院高分子科學系，吉林 長春 130012)

動態機械分析儀在高分子物理實驗教學中的應用實例

趙成吉

(吉林大學化學學院高分子科學系，吉林 長春 130012)

將動態機械分析儀應用于高分子物理實驗教學中，有助于學生加深對高分子物理課堂所學粘彈性現象的理解。我們圍繞該儀器設計了多套研究性實驗項目，使學生充分了解動態力學分析原理和方法，學會使用該儀器測定高分子的粘彈性能，并從分子運動的角度來解釋高分子的動態力學行為。這些實驗項目的設置，對培養學生的實驗技能和動手能力、綜合利用所學知識分析和解決問題能力和激發科研興趣等方面起到了積極作用。

動態機械分析儀；高分子物理實驗；粘彈性

高分子物理是研究高分子的結構與性能及其關聯的一門學科，也是探索各種環境下高分子各運動單元運動規律的一門學科[1]。主要內容包括：高分子的鏈結構，凝聚態結構，聚合物的分子量及分子量分布，聚合物的分子運動和轉變，聚合物的機械強度，聚合物的高彈性與黏彈性，聚合物的流變性能，以及高分子溶液性質等[2]。開設高分子物理實驗，一方面通過親身實踐讓學生加深對高分子結構、性能及兩者相互關系的基本知識與高分子物理原理的理解，另一方面了解高分子結構與性能的評價方法與原理，培養靈活運用高分子物理基礎知識分析實際問題的能力，為高分子科學的前沿知識學習和相關領域的科學研究打好基礎[3]。

高分子是一種典型的黏彈性材料，表現出突出的力學松弛現象。對其進行動態力學性能測定，可以得到高分子結構與性能方面的多重信息，如高分子的松弛轉變過程及特征溫度、交聯固化程度、相結構與相轉化、阻尼特性等[4-5]。因此動態力學分析儀(DMA)在高分子科學研究和工業應用領域具有非常重要的應用。為了培養學生的創新能力，開拓學生的學術視野，吉林大學化學學院國家級化學實驗教學中心購置了DMA Q800動態力學分析儀(美國TA公司)。DMA Q800采用非接觸式線性驅動馬達代替傳統的步進馬達直接對樣品施加應力。以空氣軸承取代傳統的機械軸承以減少軸承在運行過程中的摩擦力，并通過光學讀數器來控制軸承位移，精確度達1nm；配置多種先進夾具(如三點彎曲、單懸臂、雙懸臂、剪切、壓縮、拉伸等夾具)，可進行多樣的操作模式，如共振、應力松弛、蠕變、固定頻率溫度掃描(頻率范圍為0.01～200 Hz，溫度范圍為-180～600℃)、同時多個頻率對溫度掃描、自動張量補償功能等，通過隨機專業軟件的分析可獲得高解析度的聚合物動態力學性能方面的數據。我們將其引入到高分子物理實驗教學中，并圍繞該儀器設計了多套研究性創新實驗項目，極大地調動了學生的積極性和興趣，取得了良好的教學效果。下面將介紹幾個我們所設計的研究性教學項目的實例。

1 聚甲基丙烯酸甲酯的動態力學溫度譜及轉變溫度測定

高分子具有多種運動單元，表現出多重運動模式。各種運動單元的熱運動對溫度和時間具有強烈的依賴性。因此，在寬廣的溫度或頻率范圍對高分子材料進行動態力學測定，可以得到該材料的動態力學溫度譜或頻率譜。通過譜圖中儲能模量( E′)、損耗模量(E″)和力學損耗(tanδ)隨溫度或頻率的變化，研究高分子的分子松弛與轉變過程，測定其玻璃化轉變溫度等轉變溫度。在玻璃化轉變時，高分子的力學性質變化相當顯著。在幾度的轉變溫度區前后，E′將會迅速下降3到4個數量級，鏈段運動被激發，引起很大的能量損耗，從而使E″和tanδ出現極大值。從模量的下降和損耗峰出現極大值可以判斷高分子的玻璃化轉變溫度。在教學實踐中，我們以聚碳酸酯長方形樣條作為實驗樣品。試樣尺寸要求：長a=35～40mm；寬b≤15mm；厚b≤5mm。要求學生準確測量樣品的寬度、長度和厚度，各取平均值記錄數據。采用雙懸臂夾具進行測試。測試溫度為常溫至180℃，維持頻率恒定為1 Hz。要求學生了解聚合物動態力學分析原理和方法，學會使用DMA測定聚合物的動態力學溫度譜，并從分子運動的角度來解釋高分子的動態力學行為，記錄高分子的玻璃化轉變溫度。并請學生思考如果改變測試的頻率和升溫速率，測得的高分子的玻璃化轉變溫度將如何變化？

2 環氧樹脂阻尼材料的動態力學頻率譜及阻尼性能分析

高分子材料是一種典型的粘彈性材料，在交變應力的作用下，由于鏈段運動受到內摩擦阻力的影響，使得運動跟不上外力的變化，造成高分子材料的滯后現象。由于應變變化跟不上應力變化，在循環變化過程中，一部分的能量以熱量的形式耗散掉了，產生力學損耗或內耗。將機械振動能轉變為熱能而耗散的材料，稱之為阻尼材料，廣泛應用于電路板等電子產品的減震和降低機械的噪音污染等領域。我們高分子物理實驗教學團隊中，有一位教師的研究方向是聚氨酯微膠囊的制備及其環氧樹脂復合材料的阻尼性能的研究。將教師的科研內容轉化為教學實驗內容是我們實驗教學改革中的重要環節。在實驗教學中，將科研中的測試樣品用于實驗教學中，在完成對學生基本實驗技能的培養外，通過引導學生查閱相關背景文獻，了解前沿科研領域；通過組織學生討論和分析測試結果，撰寫結合科研內容的實驗報告，培養學生科研興趣和創新意識。在教學實踐中，由指導教師實驗前一周提供給學生相關參考文獻，要求學生在預習報告中對背景知識做充分了解，并準備好添加了微膠囊和未添加的環氧樹脂固化樣條。課堂上指導學生利用 DMA Q800 對樣條的動態力學性能進行測試分析。采用的夾具種類為三點彎曲夾具，動態力學頻率譜測試的溫度為常溫，頻率掃描區間為 1-100 Hz。損耗因子 tanδ是衡量材料阻尼性能的重要參數。一般來說，tanδ-頻率曲線越平緩，tanδ值越高的高分子材料，阻尼性能越好。要求學生針對得到的兩條tanδ-頻率曲線，分析微膠囊的加入對環氧樹脂的阻尼性能的影響，并結合文獻做出合理的解釋。

3 聚氯乙烯薄膜的蠕變性能實驗

蠕變是重要的高分子靜態粘彈性現象之一，是在一定的溫度和一定的外力(拉伸、剪切、壓縮等)作用下，高分子的形變隨著時間的推移而逐漸發展的現象。粘彈性材料的形變同外力作用的時間有關，描述這種關系的應變-時間曲線稱之為蠕變曲線。在某一時刻撤除外力后，應變與時間的曲線稱之為蠕變回復曲線。從分子運動的觀點分析蠕變現象，形變可分為三類：(1)普彈形變；(2)高彈形變；(3)永久形變。蠕變現象同溫度的高低及外力的大小有關。溫度太低，外力太小時，形變很小而且很慢，在短時間內不易察覺蠕變現象。一般溫度在Tg附近，適當外力作用下，鏈段既可以運動，又有較大的運動阻力，可以觀察到明顯的蠕變現象。高分子材料的蠕變性能反映了材料的尺寸穩定性。在教學實踐中，我們選擇利用DMA Q800的蠕變/應力松弛模式測試聚氯乙烯薄膜樣條的蠕變性能實驗。采用熱壓法制備聚氯乙烯薄膜，并將其裁成厚度為0.5～2.0 mm，寬度為3～6 mm, 長度為20～30mm薄膜樣條。采用薄膜拉伸夾具，拉伸力恒定為3 N, 溫度恒定在30 ℃，恒溫時間為10 min，其中蠕變時間為5 min，恢復時間為5 min。再分別在40 ℃和50 ℃進行蠕變和蠕變回復曲線的測定。通過分析不同溫度下的該材料蠕變及回復曲線，要求學生掌握高分子材料蠕變的概念和測試方法，了解測試條件對測試結果的影響。

4 聚氯乙烯/ABS共混體系相容性實驗

高分子共混物的粘彈性受到體系組分間相容性、組分相對含量及相態結構的影響。相容的高分子共混體系在其動態力學溫度譜中表現出一個與組成含量有關的主轉變，不相容體系中則出現了兩個與各自組分相對應的主轉變。因此，動態力學分析儀可以應用于高分子共混體系或嵌段共聚物的相容性研究。在教學實踐中，事先將聚氯乙烯樹脂和ABS 接枝共聚物按一定的質量比混合均勻，在雙輥開煉機上170 ℃下混煉 5 min，接著在平板硫化機上 185℃下壓制成標準樣條。測試頻率選定為 1 Hz，升溫速率為 3 ℃/min。在共混物的動態力學溫度譜上，學生可觀察到共混物存在兩個tanδ 松弛峰，分別對應于 聚氯乙烯相和 ABS 相的Tg。隨著兩相相容性的增加，可以看到兩相松弛峰相互靠近，兩峰界限變得模糊。學生通過實驗操作和對譜圖中模量下降和出現內耗峰的分子運動機理的分析，有助于更直觀地掌握高分子共混物或嵌段共聚物的相態結構，也有助于理解共混物的粘彈性與組分間相容性、組分相對含量及相態結構的關系。

5 結語

高分子的粘彈性是高分子物理課程的重點章節，相關知識點繁多且抽象。借助于相關實驗，學生可直觀地觀察和測量高分子的粘彈性，更好地理解課堂上學到的相關知識。動態力學分析儀是表征高分子的粘彈性的有效工具。將動態力學分析儀引入到高分子物理實驗教學中，并充分發揮其作用，設置多層次的可供選做的實驗項目，對培養學生的實驗技能和動手能力、綜合利用所學知識分析和解決問題能力和激發科研興趣等方面起到了積極作用。

[1] 劉鳳岐,湯心頤．高分子物理[M]．北京：高等教育出版社，2004.

[2] 金日光,華幼卿．高分子物理[M]．北京：化學工業出版社，2006.

[3] 楊海洋,朱平平,何平笙． 高分子物理實驗[M]．合肥: 中國科學技術大學出版社，2008．

[4] 劉 曉．動態熱力學分析在高分子材料中的應用[J]．工程塑料應用, 2010, 38(7), 84-86.

[5] 過梅麗.高聚物與復合材料的動態力學熱分析[M].北京:化學工業出版社, 2002.

(本文文獻格式：趙成吉.動態機械分析儀在高分子物理實驗教學中的應用實例[J].山東化工，2017，46(06)：124-125.)

Application of Dynamic Mechanical Analyzer in Polymer Physics Experiments Teaching

ZhaoChengji

(College of Chemistry, Jilin University, Jilin, Changchun 130012, China)

The application of dynamic mechanical analyzer in polymer physics experiment teaching will help students to deepen their understanding of viscoelastic phenomena in polymer physics. We designed several experimental experiments around this instrument, so that students fully understand the principles and methods of dynamic mechanical analysis, learn to use this instrument to determine the viscoelastic properties of polymers, and explain the dynamic mechanical behavior of polymers from the molecular movement point of view. The setting of these experiments has played a positive role in cultivating students' experimental skills and practical ability, comprehensively utilizing the knowledge to analyze and solve the problems, and stimulating students' scientific research interests.

dynamic mechanical analyzer；polymer physics experiment；viscoelasticity

2017-0216

趙成吉 (1981—)，副教授，理學博士，從事高分子物理教學與研究工作。

G642.2

B

1008-021X(2017)06-0124-02