旋轉流變儀在聚合物中的應用研究

王維維

中航復合材料有限責任公司 北京 101300

隨著分子材料的進一步運用，各種與分子材料相關的研究學得到有效發展，其中流變學就是控制材料在外力作用下的流動和變形的科學。對于材料內部結構的分析具有良好的效果，對于分子材料的流動性，穩定性具有良好的分析效果。如今高分子材料的研究，其中就使用了流變儀對其分子結構進行相應的測試，不同種類的流變儀在測量不同材料時其表現的性質也存在極大的差別、針對聚合物的車輛，通常也使用流變儀。利用流變儀的特性，可以有效測試聚合物的生理特征，不僅可以為聚合物種類的鑒定提供重要的依據，還可以運用于聚合物的生產，加工和改性。如今科學材料的進一步使用，旋轉流變儀在測量聚合物中的運用得到進一步的推廣，對材料的黏度、剪切速率、不穩定流動等有關的流變曲線和數據進行了進一步的分析，使得旋轉流變儀得到了進一步的推廣。

1 旋轉流變儀的簡介

旋轉流變儀的區分是根據應力和應變方式的不同而定的，根據根據應力或應變施加方式的不同，可以分為穩態測試、瞬態測試和動態測試[1]。對于材料流動性的測量是旋轉流變儀的重點，最開始是利用旋轉流變儀的夾具驅動來測量材料所產生力矩，隨后通過對材料施加一定的力矩，從而測量產生的旋轉速度。旋轉流變儀動態測量模式一共分為四種。第一種是應變掃描，是指在恒定的頻率和溫度下，給材料施加一定范圍的交變應變，測量聚合物黏彈響應隨應變變化的關系；第二種是頻率掃描，是在小應變下條件下，通過對材料的掃描處理，測量材料的黏彈性，并且對頻率變化的相關性進行進一步的分析；第三種是時間掃描，通過固定溫度，改變對材料施加的恒定頻率，在規定時間范圍內進行連續測量。第四章是溫度掃描。通過頻率的改變，以溫度為變量，根據材料的性質進行相應的掃描，從而測試材料彈性隨溫度的變化情況。

2 聚合物流變學概述

2.1 聚合物概述

聚合物又稱為高分子化合物，是指由許多簡單并且結構相同的原子或原子團通過共價鍵的形式重復連接而成的相對分子量在一萬以上的化合物[2]。聚合物是如今使用最為廣泛的材料之一，按照來源的劃分可以分為天然高分子化合物和化學合成高分子化合物；按照結晶的性能劃分可以分為結晶性聚合物和非結晶性聚合物；按照性能可以劃分為纖維，橡膠和塑料[3]。目前市場當中，結晶態高分子化合物占很重要組成部分，利用高分子結晶態物質生產的產品更是滲透到人民生活的方方面面。在合成高分子化合物生成的過程中，溫度，壓力，加工時間對于聚合的結晶過程，結晶形態有著一定程度的影響，不同性質的結晶態聚合物，流變學性質也存在極大的不同。

2.2 聚合物的結晶形態

不同溫度，加工方式和加工時間對于聚合物的性質有著不同程度的影響，對于聚合物的加工性、光學性能、電性能、傳導性以及化學特性影響較為嚴重。結晶化合物所產生的條件不相同，其結晶性能也存在極大的差別。結晶性聚合物由于結晶條件（溫度、剪切等因素）的不同，往往形成不同形態的晶體。主要有球晶、片晶、柱晶、伸直鏈片晶以及串晶等[4]。在聚合物實際運用的過程中，更多的是多種結晶形式的組合，具體的結晶形態如下所示：

球晶：是在靜態條件下聚合物溶體所得到的物質，球晶呈圓球狀，直徑一般在0.5至100微米之間，較大的球晶直徑可達厘米數量級[5]。

單晶：是一種有規則形狀的薄片狀晶體，通常可以在極稀溶液中形成，其厚度一般較小，大多在幾微米至幾十微米之間[5]。

柱晶：是在較高的溫度環境下，形成由纖維狀晶貫穿且折疊鏈連續附生的晶體結構[5]。

伸直鏈晶體：是聚合物在高溫的條件下，使得分子伸展得到的垂直型的晶體[6]。

串晶：它是一種以纖維為弦的拉伸鏈結構，連接著許多折疊鏈結構晶圓餅。那個可以認為是由層狀晶體和延伸鏈組成的混合晶體水晶。聚合物在夾片形成晶體比片狀和長鏈晶體形成過程中更為常見[7]。

2.3 聚合物流變學概述

流變學的定義是研究材料流動與變形之間的關系。由于高分子材料的溫度不同，分子量和分子結構也不相同，其流動性和變化規律也大不相同。聚合物的流變學內容較為豐富，其中包括流變行為與溫度、壓力、化學環境等環境參數的關系，利用流變學原理可以測量分子材料的不同結構，進而對分子材料進行進一步的研究分析。

高分子材料的特點主要表現在它們的多變性上，聚合物分子結構的多樣性主要是由于聚合物分子結構的線性結構、交聯結構和網絡結構。同時，聚合物分子鏈表現出剛性或柔韌性。因此聚合物可能具有不同的流變特性，如線性黏度、非線性黏度、黏度、觸變性等。同一聚合物在短期應力作用下表現為彈性變形，在長期應力作用下表現為魚類選擇變形。研究聚合物流變學的重要意義在于，通過對聚合物流變特性的表征，可以得到聚合物的分子量、分子結構和分子量之間的關系。通過測定聚合物加工條件與流變性能的關系，可以伴隨聚合物加工過程，確定最佳工藝條件，獲得高質量的產品。流變實驗得到的流變參數可以用來驗證材料的組成成分，比較成分的不同性質。隨著計算機技術的發展，CAE軟件在聚合物加工中的作用越來越重要，而CAE軟件所采用的理論主要是聚合物的流變學和傳熱學。

3 旋轉流變儀的應用分析

隨著現代材料科學的發展，聚合物被廣泛運用在各個領域，旋轉流變儀對于聚合物材料動態流變表征的測量也顯得十分重要，通過旋轉流變儀的測量，了解聚合物的形態學特征，為了聚合物的發展提供了相應的理論參考，并為指導材料的加工及應用提供了方向。

3.1 聚合物材料的黏彈特性

聚合物結晶形態的不同，其黏彈特性也存在極大的差別。聚合物的黏彈特性是最為經典的性質，利用其特殊額性質，可以廣泛運用于多個領域。對于聚合物黏彈特性的測量可以利用一個常微分方程來描述。根據聚合物特點，可以模擬使用一個線性彈性體的方程：

這個方程是計算聚合物黏彈特性的常用方程式，其中σ－剪切應力；G－剪切模量；η－黏度；γ－剪切應變；dγ(t)/dt為應變速率。

利用旋轉流變儀控制其中一部分的材料性質，來計算其中的黏彈特性。在以上方程式當中，應力由兩部分組成，一部分與應變同相位的應力，它是彈性形變的主動力；另一部分是與應變相位相差π/2的應力，它對應的形變是黏性形變，主要用于克服摩擦力。定義儲能模量(G")是相同的應力和應變幅值的比值，損耗模量(G″)是相位差為π/2的應力與應變幅值比值，即：

在這個方程式當中，σ0－應力；γ0－應變；δ－相位角；G"－儲能模量代表聚合物流體的彈性分量，反映了聚合物熔體通過熵彈形變儲存能量的能力；G″－損耗模量代表聚合物材料在發生形變過程中，由于黏性形變而損耗的能量，它反映著聚合物材料黏性的大小。

辜婷等人用旋轉流變儀測量了現代塑料的性能，用旋轉流變儀測量了現代塑料的彈性功能，其綜合國內外研究的基本情況，指出了旋轉流變儀在材料分子學當中的運用前景。廖華勇等用旋轉流變儀建立了聚丙烯（PP）/尼龍6（PA6）共混物的動態模型，并用Maxwell模型計算了聚合物的頻率曲線。陳倩倩等研究了旋轉交聯透明質酸鈉的制備及其流變性能，采用旋轉法測定了透明質酸鈉（HA）和CHA的黏度和回收特性，研究了HA和CHA在不同濃度、交聯度和溫度下的流變性能，利用流變儀對聚合物材料性質的測試，得出了聚合物材料的彈性西能。許恩惠等研究人員發現，尼龍6納米復合材料會隨著亞銨化物含量的增加而出現一種前沿現象；利用Han曲線進一步研究表明，亞銨化物在材料中的團聚是導致Cole-Cole曲線出現嚴重的拖尾現象的主要原因。張婧婧等通過加入交聯劑對聚乳酸（PLA）的生理特性進行了研究，其研究表明，交聯劑過氧化二異丙苯（DCP）的加入使PLA在低頻區的切向黏度和復黏度損失顯著增加。PLA的熔體的相對形式也會發生隨之的改變，其中的強度和彈性值都會有所增強，在高頻區這種交聯結構被破壞，樣品的黏性降低，使得彈性較高。

3.2 多相高分子聚合物的流變行為

由于聚合物的性質不同，不同材料的物理形態和化學性質也不相同。廖聲濤等研究了新型尼龍納米復合材料的微觀結果，指出其阻燃性能對分子的阻燃性能有一定的影響。其針對三種不同的高分子聚合物材料利用旋轉流變儀進行了相應的測量，通過對三種不同類型的高分子聚合物性質進行分析，探究了不同類型高分子的流變學性質。丁玲等針對化聚乳酸和聚琥珀酸丁烯酯（PLA/PBS）流變學和發泡性能進行了相應的研究，改性后的PLA/PBS體系中分子鏈纏結度大，松弛時間長，黏度和低頻段黏度大。Cole-Cole曲線表明改性體系中存在具有一定支化程度的長支鏈，改性PLA/PBS體系中存在具有一定支化度的長支鏈，長支鏈的出現反映了材料的熔化能力和熔化能力。李宏林研究了自制二甲氧基苯甲酸根離子柱撐mg-Al-HTLcs含量對納米MgAl-HTLcs/尼龍6復合材料結構和性能的影響。

3.3 聚合物材料結晶流變學

聚合物材料的結晶過程包括晶核的形成和晶體的生長，聚合物高分子材料按照結晶結構的形式進行區分可以分為晶區和非晶區。對于結晶聚合物的測試而言，可以采用旋轉流變儀，熱臺偏光顯微鏡和毛細管流變儀等多種測試方法。林凌等針對疏水締合聚合物流變性能進行了相應的研究，利用旋轉流變儀對其性質進行了相應的測試，利用用旋轉黏度計和流變儀等考察了PSM/HAP溶液的表觀黏度、剪切稀釋行為和黏彈性，最后的研究結果表明，HAP加量超過其臨界締合濃度（2g/L）時，HAP在水溶液中形成網狀結構的主要方式為鏈間締合。胡孝迎等對高分子聚合物PA6的結晶性質進行相應的研究分析，利用氯化鋰(LiCl)的相對性質探究其對PA6結晶情況的影響，研究指出LiCl/PA6復合體系的成核溫度(Tb)、晶體的形成及生長溫度(Tc)都會隨著LiCl含量的增加而改變，其性質也會發生相應的變化。蘭小蓉等針對高分子聚合樹脂的制備進行了相應的研究，其研究指出PLA/丙烯酸樹脂(PAA)共混物的結晶體形成，受氫鍵作用的影響。黃偉江利用旋轉流變儀和掃描電子顯微鏡(SEM)對復合材料的熱性能，流變行為，力學性能以及微觀形貌進行研究，指出硅烷偶聯劑中添加F-SEP對PE/PA6基體能夠有效增強復合材料的熱性能，流變行為和力學性能。

4 結束語

聚合物已經成為日常生活中重要的組成部分，其性質和特性對于生活質量有著一定程度的影響。旋轉流變儀對聚合物材料的性質測量具有良好的效果，在生產和研究領域的運用也越來越充分，其提供的數據分析，對于聚合物實際加工行業的發展，有著良好的促進作用。相信隨著旋轉流變儀的進一步深入探究，必然能夠促進新型聚合物的研發和生產。