趙成吉

(吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院高分子科學(xué)系，吉林 長(zhǎng)春 130012)

動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀在高分子物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

趙成吉

(吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院高分子科學(xué)系，吉林 長(zhǎng)春 130012)

將動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀應(yīng)用于高分子物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，有助于學(xué)生加深對(duì)高分子物理課堂所學(xué)粘彈性現(xiàn)象的理解。我們圍繞該儀器設(shè)計(jì)了多套研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使學(xué)生充分了解動(dòng)態(tài)力學(xué)分析原理和方法，學(xué)會(huì)使用該儀器測(cè)定高分子的粘彈性能，并從分子運(yùn)動(dòng)的角度來(lái)解釋高分子的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為。這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和動(dòng)手能力、綜合利用所學(xué)知識(shí)分析和解決問(wèn)題能力和激發(fā)科研興趣等方面起到了積極作用。

動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀；高分子物理實(shí)驗(yàn)；粘彈性

高分子物理是研究高分子的結(jié)構(gòu)與性能及其關(guān)聯(lián)的一門學(xué)科，也是探索各種環(huán)境下高分子各運(yùn)動(dòng)單元運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一門學(xué)科[1]。主要內(nèi)容包括：高分子的鏈結(jié)構(gòu)，凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)，聚合物的分子量及分子量分布，聚合物的分子運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)變，聚合物的機(jī)械強(qiáng)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(zhì)等[2]。開(kāi)設(shè)高分子物理實(shí)驗(yàn)，一方面通過(guò)親身實(shí)踐讓學(xué)生加深對(duì)高分子結(jié)構(gòu)、性能及兩者相互關(guān)系的基本知識(shí)與高分子物理原理的理解，另一方面了解高分子結(jié)構(gòu)與性能的評(píng)價(jià)方法與原理，培養(yǎng)靈活運(yùn)用高分子物理基礎(chǔ)知識(shí)分析實(shí)際問(wèn)題的能力，為高分子科學(xué)的前沿知識(shí)學(xué)習(xí)和相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究打好基礎(chǔ)[3]。

高分子是一種典型的黏彈性材料，表現(xiàn)出突出的力學(xué)松弛現(xiàn)象。對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)定，可以得到高分子結(jié)構(gòu)與性能方面的多重信息，如高分子的松弛轉(zhuǎn)變過(guò)程及特征溫度、交聯(lián)固化程度、相結(jié)構(gòu)與相轉(zhuǎn)化、阻尼特性等[4-5]。因此動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀(DMA)在高分子科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用。為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，開(kāi)拓學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院國(guó)家級(jí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心購(gòu)置了DMA Q800動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀(美國(guó)TA公司)。DMA Q800采用非接觸式線性驅(qū)動(dòng)馬達(dá)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的步進(jìn)馬達(dá)直接對(duì)樣品施加應(yīng)力。以空氣軸承取代傳統(tǒng)的機(jī)械軸承以減少軸承在運(yùn)行過(guò)程中的摩擦力，并通過(guò)光學(xué)讀數(shù)器來(lái)控制軸承位移，精確度達(dá)1nm；配置多種先進(jìn)夾具(如三點(diǎn)彎曲、單懸臂、雙懸臂、剪切、壓縮、拉伸等夾具)，可進(jìn)行多樣的操作模式，如共振、應(yīng)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(shí)多個(gè)頻率對(duì)溫度掃描、自動(dòng)張量補(bǔ)償功能等，通過(guò)隨機(jī)專業(yè)軟件的分析可獲得高解析度的聚合物動(dòng)態(tài)力學(xué)性能方面的數(shù)據(jù)。我們將其引入到高分子物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，并圍繞該儀器設(shè)計(jì)了多套研究性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性和興趣，取得了良好的教學(xué)效果。下面將介紹幾個(gè)我們所設(shè)計(jì)的研究性教學(xué)項(xiàng)目的實(shí)例。

1 聚甲基丙烯酸甲酯的動(dòng)態(tài)力學(xué)溫度譜及轉(zhuǎn)變溫度測(cè)定

高分子具有多種運(yùn)動(dòng)單元，表現(xiàn)出多重運(yùn)動(dòng)模式。各種運(yùn)動(dòng)單元的熱運(yùn)動(dòng)對(duì)溫度和時(shí)間具有強(qiáng)烈的依賴性。因此，在寬廣的溫度或頻率范圍對(duì)高分子材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)定，可以得到該材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)溫度譜或頻率譜。通過(guò)譜圖中儲(chǔ)能模量( E′)、損耗模量(E″)和力學(xué)損耗(tanδ)隨溫度或頻率的變化，研究高分子的分子松弛與轉(zhuǎn)變過(guò)程，測(cè)定其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等轉(zhuǎn)變溫度。在玻璃化轉(zhuǎn)變時(shí)，高分子的力學(xué)性質(zhì)變化相當(dāng)顯著。在幾度的轉(zhuǎn)變溫度區(qū)前后，E′將會(huì)迅速下降3到4個(gè)數(shù)量級(jí)，鏈段運(yùn)動(dòng)被激發(fā)，引起很大的能量損耗，從而使E″和tanδ出現(xiàn)極大值。從模量的下降和損耗峰出現(xiàn)極大值可以判斷高分子的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。在教學(xué)實(shí)踐中，我們以聚碳酸酯長(zhǎng)方形樣條作為實(shí)驗(yàn)樣品。試樣尺寸要求：長(zhǎng)a=35～40mm；寬b≤15mm；厚b≤5mm。要求學(xué)生準(zhǔn)確測(cè)量樣品的寬度、長(zhǎng)度和厚度，各取平均值記錄數(shù)據(jù)。采用雙懸臂夾具進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試溫度為常溫至180℃，維持頻率恒定為1 Hz。要求學(xué)生了解聚合物動(dòng)態(tài)力學(xué)分析原理和方法，學(xué)會(huì)使用DMA測(cè)定聚合物的動(dòng)態(tài)力學(xué)溫度譜，并從分子運(yùn)動(dòng)的角度來(lái)解釋高分子的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為，記錄高分子的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。并請(qǐng)學(xué)生思考如果改變測(cè)試的頻率和升溫速率，測(cè)得的高分子的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度將如何變化？

2 環(huán)氧樹(shù)脂阻尼材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)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(yīng)力的作用下，由于鏈段運(yùn)動(dòng)受到內(nèi)摩擦阻力的影響，使得運(yùn)動(dòng)跟不上外力的變化，造成高分子材料的滯后現(xiàn)象。由于應(yīng)變變化跟不上應(yīng)力變化，在循環(huán)變化過(guò)程中，一部分的能量以熱量的形式耗散掉了，產(chǎn)生力學(xué)損耗或內(nèi)耗。將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏纳⒌牟牧?，稱之為阻尼材料，廣泛應(yīng)用于電路板等電子產(chǎn)品的減震和降低機(jī)械的噪音污染等領(lǐng)域。我們高分子物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)中，有一位教師的研究方向是聚氨酯微膠囊的制備及其環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的阻尼性能的研究。將教師的科研內(nèi)容轉(zhuǎn)化為教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是我們實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的重要環(huán)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，將科研中的測(cè)試樣品用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，在完成對(duì)學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)外，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)背景文獻(xiàn)，了解前沿科研領(lǐng)域；通過(guò)組織學(xué)生討論和分析測(cè)試結(jié)果，撰寫結(jié)合科研內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，培養(yǎng)學(xué)生科研興趣和創(chuàng)新意識(shí)。在教學(xué)實(shí)踐中，由指導(dǎo)教師實(shí)驗(yàn)前一周提供給學(xué)生相關(guān)參考文獻(xiàn)，要求學(xué)生在預(yù)習(xí)報(bào)告中對(duì)背景知識(shí)做充分了解，并準(zhǔn)備好添加了微膠囊和未添加的環(huán)氧樹(shù)脂固化樣條。課堂上指導(dǎo)學(xué)生利用 DMA Q800 對(duì)樣條的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試分析。采用的夾具種類為三點(diǎn)彎曲夾具，動(dòng)態(tài)力學(xué)頻率譜測(cè)試的溫度為常溫，頻率掃描區(qū)間為 1-100 Hz。損耗因子 tanδ是衡量材料阻尼性能的重要參數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，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(xué)生針對(duì)得到的兩條tanδ-頻率曲線，分析微膠囊的加入對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的阻尼性能的影響，并結(jié)合文獻(xiàn)做出合理的解釋。

3 聚氯乙烯薄膜的蠕變性能實(shí)驗(yàn)

蠕變是重要的高分子靜態(tài)粘彈性現(xiàn)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(shí)間的推移而逐漸發(fā)展的現(xiàn)象。粘彈性材料的形變同外力作用的時(shí)間有關(guān)，描述這種關(guān)系的應(yīng)變-時(shí)間曲線稱之為蠕變曲線。在某一時(shí)刻撤除外力后，應(yīng)變與時(shí)間的曲線稱之為蠕變回復(fù)曲線。從分子運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)分析蠕變現(xiàn)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(xiàn)象同溫度的高低及外力的大小有關(guān)。溫度太低，外力太小時(shí)，形變很小而且很慢，在短時(shí)間內(nèi)不易察覺(jué)蠕變現(xiàn)象。一般溫度在Tg附近，適當(dāng)外力作用下，鏈段既可以運(yùn)動(dòng)，又有較大的運(yùn)動(dòng)阻力，可以觀察到明顯的蠕變現(xiàn)象。高分子材料的蠕變性能反映了材料的尺寸穩(wěn)定性。在教學(xué)實(shí)踐中，我們選擇利用DMA Q800的蠕變/應(yīng)力松弛模式測(cè)試聚氯乙烯薄膜樣條的蠕變性能實(shí)驗(yàn)。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(zhǎng)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(shí)間為10 min，其中蠕變時(shí)間為5 min，恢復(fù)時(shí)間為5 min。再分別在40 ℃和50 ℃進(jìn)行蠕變和蠕變回復(fù)曲線的測(cè)定。通過(guò)分析不同溫度下的該材料蠕變及回復(fù)曲線，要求學(xué)生掌握高分子材料蠕變的概念和測(cè)試方法，了解測(cè)試條件對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

4 聚氯乙烯/ABS共混體系相容性實(shí)驗(yàn)

高分子共混物的粘彈性受到體系組分間相容性、組分相對(duì)含量及相態(tài)結(jié)構(gòu)的影響。相容的高分子共混體系在其動(dòng)態(tài)力學(xué)溫度譜中表現(xiàn)出一個(gè)與組成含量有關(guān)的主轉(zhuǎn)變，不相容體系中則出現(xiàn)了兩個(gè)與各自組分相對(duì)應(yīng)的主轉(zhuǎn)變。因此，動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀可以應(yīng)用于高分子共混體系或嵌段共聚物的相容性研究。在教學(xué)實(shí)踐中，事先將聚氯乙烯樹(shù)脂和ABS 接枝共聚物按一定的質(zhì)量比混合均勻，在雙輥開(kāi)煉機(jī)上170 ℃下混煉 5 min，接著在平板硫化機(jī)上 185℃下壓制成標(biāo)準(zhǔn)樣條。測(cè)試頻率選定為 1 Hz，升溫速率為 3 ℃/min。在共混物的動(dòng)態(tài)力學(xué)溫度譜上，學(xué)生可觀察到共混物存在兩個(gè)tanδ 松弛峰，分別對(duì)應(yīng)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(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作和對(duì)譜圖中模量下降和出現(xiàn)內(nèi)耗峰的分子運(yùn)動(dòng)機(jī)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(tài)結(jié)構(gòu)，也有助于理解共混物的粘彈性與組分間相容性、組分相對(duì)含量及相態(tài)結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

5 結(jié)語(yǔ)

高分子的粘彈性是高分子物理課程的重點(diǎn)章節(jié)，相關(guān)知識(shí)點(diǎn)繁多且抽象。借助于相關(guān)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可直觀地觀察和測(cè)量高分子的粘彈性，更好地理解課堂上學(xué)到的相關(guān)知識(shí)。動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀是表征高分子的粘彈性的有效工具。將動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀引入到高分子物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，并充分發(fā)揮其作用，設(shè)置多層次的可供選做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和動(dòng)手能力、綜合利用所學(xué)知識(shí)分析和解決問(wèn)題能力和激發(fā)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(xué)工業(yè)出版社，2006.

[3] 楊海洋,朱平平,何平笙． 高分子物理實(shí)驗(yàn)[M]．合肥: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2008．

[4] 劉 曉．動(dòng)態(tài)熱力學(xué)分析在高分子材料中的應(yīng)用[J]．工程塑料應(yīng)用, 2010, 38(7), 84-86.

[5] 過(guò)梅麗.高聚物與復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2002.

(本文文獻(xiàn)格式：趙成吉.動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀在高分子物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)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(xué)博士，從事高分子物理教學(xué)與研究工作。

G642.2

B

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