劉晶如，俞 強(qiáng)，朱夢(mèng)冰

（常州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常州 213164）

高分子物理是高分子材料與工程專業(yè)以及材料化學(xué)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程的教學(xué)目標(biāo)［1－3］是向?qū)W生傳授高分子結(jié)構(gòu)與性能的基礎(chǔ)理論知識(shí)，介紹高分子的研究方法，使學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)能較好地掌握高分子物理的基本概念和基礎(chǔ)理論，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。由于高分子物理的很多理論知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)踐密切相關(guān)，因此在講授這門課程時(shí)，一定要與實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品加工相聯(lián)系。另外，高分子物理是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)［4－7］，很多理論知識(shí)都是由于先觀察到某種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，為了合理解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象而建立起來(lái)的，因此，講授高分子物理時(shí)一定要理論與實(shí)踐相結(jié)合。

旋轉(zhuǎn)流變儀是現(xiàn)代流變儀中的重要組成部分，它依靠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生簡(jiǎn)單剪切流動(dòng)，用來(lái)快速確定高分子材料的模量、黏度及黏彈性等性能參數(shù)。黏彈性可以為高分子的加工和應(yīng)用提供力學(xué)方面的依據(jù)，也可以提供聚合物結(jié)構(gòu)和分子運(yùn)動(dòng)的信息［8］。因此在講授高分子物理課程時(shí)，可以借助旋轉(zhuǎn)流變儀進(jìn)行演示教學(xué)，可以收到事半功倍的效果。

1 旋轉(zhuǎn)流變儀工作原理

旋轉(zhuǎn)流變儀分為同軸圓筒式、錐板式和平板式3種，如圖1所示。將待測(cè)液體置于兩同軸圓筒的環(huán)形空間（同軸圓筒式），或平板與錐體的間隙內(nèi)（錐板式），或平板與平板的間隙內(nèi)（平板式），通過圓筒、錐板或平板的旋轉(zhuǎn)，使試樣受到剪切，測(cè)定轉(zhuǎn)矩值M和角頻率ω，便可以得到流體的剪切應(yīng)力和剪切速率，進(jìn)而計(jì)算出黏度。若將應(yīng)力或應(yīng)變以交變形式作用在高分子試樣上，即可測(cè)定其動(dòng)態(tài)黏彈性。

旋轉(zhuǎn)型流變儀的測(cè)試模式一般可分為穩(wěn)態(tài)測(cè)試、瞬態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試，區(qū)分它們的標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)變或應(yīng)力施加的方式。穩(wěn)態(tài)測(cè)試采用連續(xù)的旋轉(zhuǎn)來(lái)施加應(yīng)變或應(yīng)力以得到恒定的剪切速率，在剪切流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，測(cè)量由于流體形變而產(chǎn)生的扭矩。瞬態(tài)測(cè)試是指通過施加瞬時(shí)應(yīng)變（速率）或應(yīng)力來(lái)測(cè)量流體的響應(yīng)隨時(shí)間的變化。動(dòng)態(tài)測(cè)試主要指對(duì)流體施加振蕩的應(yīng)變或應(yīng)力，測(cè)量流體響應(yīng)的應(yīng)力或應(yīng)變。在動(dòng)態(tài)測(cè)試中，可以使用在被測(cè)試材料共振頻率下的自由振蕩，或者采用在固定頻率下的正弦振蕩。這兩種方式都可用來(lái)測(cè)量黏度和模量，不同的是在固定頻率下的正弦振蕩測(cè)試，在得到材料性能頻率依賴性的同時(shí)，還可得到其性能的應(yīng)變或應(yīng)力依賴性［9－11］。

圖1 旋轉(zhuǎn)流變儀示意圖

2 旋轉(zhuǎn)流變儀在高分子物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 有助于更好地掌握聚合物的特征溫度

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg與熔融溫度Tm是聚合物最重要的2個(gè)特征溫度，Tg是非晶態(tài)熱塑性塑料使用的上限溫度，是橡膠使用的下限溫度，而Tm是晶態(tài)塑料和纖維使用的上限溫度。對(duì)于Tg與Tm的認(rèn)識(shí)必然要涉及到高分子鏈結(jié)構(gòu)因素、外界條件因素等諸多內(nèi)容［12］。在高分子物理課程中講清特征溫度的概念，對(duì)于幫助學(xué)生充分認(rèn)識(shí)聚合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、理解聚合物的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系、以及用分子運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)討論各領(lǐng)域里的實(shí)際問題，具有重要意義。在教學(xué)中，教師如果能將涉及這兩種特征溫度的相關(guān)內(nèi)容做一個(gè)合并串講，并對(duì)某幾種代表性的聚合物進(jìn)行特征溫度的測(cè)定演示，對(duì)提高教學(xué)效果會(huì)有很大幫助。

通過配備合適的固體夾具配件，旋轉(zhuǎn)流變儀可以對(duì)固體聚合物進(jìn)行扭擺測(cè)試（DMTA），測(cè)定聚合物的動(dòng)態(tài)模量（G′、G″）或者力學(xué)損耗tanδ隨溫度變化的關(guān)系曲線。一般來(lái)講，固體特性都和溫度有關(guān)。通過對(duì)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg和低于轉(zhuǎn)變溫度時(shí)的儲(chǔ)存模量G′的測(cè)量，可以獲取最大使用溫度、沖擊強(qiáng)度、脆性和剛性等方面的信息。對(duì)于結(jié)晶聚合物，其熔融溫度Tm是另外一個(gè)重要的材料參數(shù)，DMTA測(cè)試可以同時(shí)獲得Tm數(shù)據(jù)。相應(yīng)的測(cè)試曲線如圖2所示。通過測(cè)量常見聚合物的特征溫度，可以促進(jìn)學(xué)生加深對(duì)三大合成材料（塑料、橡膠、纖維）的認(rèn)識(shí)以及對(duì)聚合物結(jié)構(gòu)－性能關(guān)系的理解。

圖2 非晶聚合物與結(jié)晶聚合物的DMTA測(cè)試曲線

2.2 有助于研究高分子合金的相容性

兩種不同的聚合物能否混合在一起以及混合后兩種組分的分散程度主要取決于這兩種聚合物的相容性。有許多判別聚合物相容性的方法，其中以共混體系的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度判斷相容性的方法最為通用和有效。通過旋轉(zhuǎn)流變儀進(jìn)行溫度掃描可以快速有效地給出高分子合金中兩相間的相容性，玻璃化轉(zhuǎn)變可以用儲(chǔ)能模量的突變和內(nèi)耗曲線的轉(zhuǎn)變峰來(lái)確定。該方法的靈敏度比差示掃描量熱法（DSC）和熱機(jī)械分析法（TMA）還要高出1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，甚至是第三級(jí)轉(zhuǎn)變都能檢測(cè)到，這是其他檢測(cè)手段所無(wú)法比擬的。

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參數(shù)之一，為了兼顧使用性能和加工性能兩方面的要求，需要對(duì)聚合物的分子量及分布加以控制。通過旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)量剪切黏度與剪切速率或剪切應(yīng)力之間的關(guān)系曲線，若剪切速率足夠低，可得到恒定的黏度，即所謂的零剪切黏度。實(shí)驗(yàn)表明，零剪切黏度取決于聚合物的平均分子量；通過不同溫度下的頻率掃描、應(yīng)力松弛和蠕變實(shí)驗(yàn)，可以得到主曲線，從而計(jì)算出連續(xù)松弛時(shí)間譜，利用聚合物分析軟件包可以方便地定量計(jì)算出有關(guān)分子量及分子量分布的結(jié)果。較之凝膠滲透色譜（GPC）及其他分子量測(cè)試方法，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需使用任何溶劑。這就大大節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，減小對(duì)環(huán)境的污染，甚至可以對(duì)GPC很難完成的如超高分子量聚乙烯、聚四氟乙烯等聚合物進(jìn)行分子量及分布的表征，分子量越大，測(cè)試的靈敏度越高。

2.4 有助于了解熱塑性材料不同條件下的流動(dòng)性能

在低剪切速率或角頻率下，聚合物的黏度與剪切速率或角頻率無(wú)關(guān)，即存在零剪切黏度。零剪切黏度與聚合物的重均分子量Mw密切相關(guān)。利用時(shí)溫疊加（TTS）和Cox－Merz法則，可以得到更寬剪切速率范圍下的黏度曲線（主曲線），主曲線有助于了解熱塑性材料在不同剪切和加工條件下的流動(dòng)性能。

2.5 有助于理解影響聚合物熔體黏度和流動(dòng)性的因素

聚合物的分子量對(duì)其低剪切速率下的黏度、分子量分布及支化度對(duì)黏度與剪切速率的關(guān)系都有很大的影響。其他測(cè)試手段如熔體流動(dòng)速率或毛細(xì)管流變儀對(duì)低剪切速率下這些結(jié)構(gòu)的差別并不敏感。

2.6 有助于了解橡膠的分子結(jié)構(gòu)

分子量、分子量分布及支化都可以通過流變測(cè)試來(lái)表征。從旋轉(zhuǎn)流變儀的動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)量中可以很好地了解橡膠的分子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而解決產(chǎn)品和工藝問題。因?yàn)橄鹉z的分子結(jié)構(gòu)與加工性密切相關(guān)，采用在線流變儀還可以對(duì)橡膠生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)進(jìn)行控制。

2.7 有助于了解聚合物材料的黏彈性

高分子材料力學(xué)松弛的Boltzmann疊加、交變力場(chǎng)中的高分子材料應(yīng)變落后于應(yīng)力的滯后現(xiàn)象及由此產(chǎn)生的力學(xué)損耗，均是高分子材料黏彈性的體現(xiàn)。黏彈性的研究非常重要，它可以為聚合物的加工應(yīng)用提供力學(xué)方面的依據(jù)，同時(shí)也可以提供聚合物分子結(jié)構(gòu)和分子運(yùn)動(dòng)的信息，因而黏彈性是高分子物理課程中的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容。

使用旋轉(zhuǎn)流變儀可以更好地揭示聚合物的動(dòng)態(tài)黏彈性能，小振幅振蕩測(cè)試作為便捷的測(cè)試方法，經(jīng)常用于同時(shí)測(cè)量聚合物的彈性和黏性特征，從中可以獲得聚合物的儲(chǔ)存模量、損耗模量、內(nèi)耗、復(fù)數(shù)黏度與溫度或頻率的關(guān)系。為了在更寬的頻率范圍內(nèi)研究剪切模量與頻率的關(guān)系，還可以選取較高的基準(zhǔn)溫度，利用時(shí)溫等效原理，得到時(shí)溫疊加曲線。

3 結(jié)束語(yǔ)

在高分子物理教學(xué)中，通過“聚合物的流變性能”這部分有關(guān)旋轉(zhuǎn)流變儀的學(xué)習(xí)以及通過有關(guān)旋轉(zhuǎn)流變儀的基本操作實(shí)驗(yàn)之后，學(xué)生對(duì)旋轉(zhuǎn)流變儀的操作原理都已經(jīng)比較熟悉。利用旋轉(zhuǎn)流變儀可以快速確定高分子材料的模量、黏度及黏彈性等性能參數(shù)，從而提供聚合物分子結(jié)構(gòu)和分子運(yùn)動(dòng)的內(nèi)部信息，這對(duì)理解聚合物材料的性能十分重要。借助旋轉(zhuǎn)流變儀進(jìn)行高分子物理課程演示教學(xué)，分析流變實(shí)驗(yàn)中所體現(xiàn)出來(lái)的具體的高分子物理問題，一定會(huì)加深學(xué)生對(duì)高分子物理相關(guān)知識(shí)的理解和鞏固。實(shí)踐證明這種教學(xué)方法簡(jiǎn)單直觀，教學(xué)效果良好。

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