旋转流变仪在聚合物中的应用研究

王维维

中航复合材料有限责任公司 北京 101300

随着分子材料的进一步运用，各种与分子材料相关的研究学得到有效发展，其中流变学就是控制材料在外力作用下的流动和变形的科学。对于材料内部结构的分析具有良好的效果，对于分子材料的流动性，稳定性具有良好的分析效果。如今高分子材料的研究，其中就使用了流变仪对其分子结构进行相应的测试，不同种类的流变仪在测量不同材料时其表现的性质也存在极大的差别、针对聚合物的车辆，通常也使用流变仪。利用流变仪的特性，可以有效测试聚合物的生理特征，不仅可以为聚合物种类的鉴定提供重要的依据，还可以运用于聚合物的生产，加工和改性。如今科学材料的进一步使用，旋转流变仪在测量聚合物中的运用得到进一步的推广，对材料的黏度、剪切速率、不稳定流动等有关的流变曲线和数据进行了进一步的分析，使得旋转流变仪得到了进一步的推广。

1 旋转流变仪的简介

旋转流变仪的区分是根据应力和应变方式的不同而定的，根据根据应力或应变施加方式的不同，可以分为稳态测试、瞬态测试和动态测试[1]。对于材料流动性的测量是旋转流变仪的重点，最开始是利用旋转流变仪的夹具驱动来测量材料所产生力矩，随后通过对材料施加一定的力矩，从而测量产生的旋转速度。旋转流变仪动态测量模式一共分为四种。第一种是应变扫描，是指在恒定的频率和温度下，给材料施加一定范围的交变应变，测量聚合物黏弹响应随应变变化的关系；第二种是频率扫描，是在小应变下条件下，通过对材料的扫描处理，测量材料的黏弹性，并且对频率变化的相关性进行进一步的分析；第三种是时间扫描，通过固定温度，改变对材料施加的恒定频率，在规定时间范围内进行连续测量。第四章是温度扫描。通过频率的改变，以温度为变量，根据材料的性质进行相应的扫描，从而测试材料弹性随温度的变化情况。

2 聚合物流变学概述

2.1 聚合物概述

聚合物又称为高分子化合物，是指由许多简单并且结构相同的原子或原子团通过共价键的形式重复连接而成的相对分子量在一万以上的化合物[2]。聚合物是如今使用最为广泛的材料之一，按照来源的划分可以分为天然高分子化合物和化学合成高分子化合物；按照结晶的性能划分可以分为结晶性聚合物和非结晶性聚合物；按照性能可以划分为纤维，橡胶和塑料[3]。目前市场当中，结晶态高分子化合物占很重要组成部分，利用高分子结晶态物质生产的产品更是渗透到人民生活的方方面面。在合成高分子化合物生成的过程中，温度，压力，加工时间对于聚合的结晶过程，结晶形态有着一定程度的影响，不同性质的结晶态聚合物，流变学性质也存在极大的不同。

2.2 聚合物的结晶形态

不同温度，加工方式和加工时间对于聚合物的性质有着不同程度的影响，对于聚合物的加工性、光学性能、电性能、传导性以及化学特性影响较为严重。结晶化合物所产生的条件不相同，其结晶性能也存在极大的差别。结晶性聚合物由于结晶条件（温度、剪切等因素）的不同，往往形成不同形态的晶体。主要有球晶、片晶、柱晶、伸直链片晶以及串晶等[4]。在聚合物实际运用的过程中，更多的是多种结晶形式的组合，具体的结晶形态如下所示：

球晶：是在静态条件下聚合物溶体所得到的物质，球晶呈圆球状，直径一般在0.5至100微米之间，较大的球晶直径可达厘米数量级[5]。

单晶：是一种有规则形状的薄片状晶体，通常可以在极稀溶液中形成，其厚度一般较小，大多在几微米至几十微米之间[5]。

柱晶：是在较高的温度环境下，形成由纤维状晶贯穿且折叠链连续附生的晶体结构[5]。

伸直链晶体：是聚合物在高温的条件下，使得分子伸展得到的垂直型的晶体[6]。

串晶：它是一种以纤维为弦的拉伸链结构，连接着许多折叠链结构晶圆饼。那个可以认为是由层状晶体和延伸链组成的混合晶体水晶。聚合物在夹片形成晶体比片状和长链晶体形成过程中更为常见[7]。

2.3 聚合物流变学概述

流变学的定义是研究材料流动与变形之间的关系。由于高分子材料的温度不同，分子量和分子结构也不相同，其流动性和变化规律也大不相同。聚合物的流变学内容较为丰富，其中包括流变行为与温度、压力、化学环境等环境参数的关系，利用流变学原理可以测量分子材料的不同结构，进而对分子材料进行进一步的研究分析。

高分子材料的特点主要表现在它们的多变性上，聚合物分子结构的多样性主要是由于聚合物分子结构的线性结构、交联结构和网络结构。同时，聚合物分子链表现出刚性或柔韧性。因此聚合物可能具有不同的流变特性，如线性黏度、非线性黏度、黏度、触变性等。同一聚合物在短期应力作用下表现为弹性变形，在长期应力作用下表现为鱼类选择变形。研究聚合物流变学的重要意义在于，通过对聚合物流变特性的表征，可以得到聚合物的分子量、分子结构和分子量之间的关系。通过测定聚合物加工条件与流变性能的关系，可以伴随聚合物加工过程，确定最佳工艺条件，获得高质量的产品。流变实验得到的流变参数可以用来验证材料的组成成分，比较成分的不同性质。随着计算机技术的发展，CAE软件在聚合物加工中的作用越来越重要，而CAE软件所采用的理论主要是聚合物的流变学和传热学。

3 旋转流变仪的应用分析

随着现代材料科学的发展，聚合物被广泛运用在各个领域，旋转流变仪对于聚合物材料动态流变表征的测量也显得十分重要，通过旋转流变仪的测量，了解聚合物的形态学特征，为了聚合物的发展提供了相应的理论参考，并为指导材料的加工及应用提供了方向。

3.1 聚合物材料的黏弹特性

聚合物结晶形态的不同，其黏弹特性也存在极大的差别。聚合物的黏弹特性是最为经典的性质，利用其特殊额性质，可以广泛运用于多个领域。对于聚合物黏弹特性的测量可以利用一个常微分方程来描述。根据聚合物特点，可以模拟使用一个线性弹性体的方程：

这个方程是计算聚合物黏弹特性的常用方程式，其中σ－剪切应力；G－剪切模量；η－黏度；γ－剪切应变；dγ(t)/dt为应变速率。

利用旋转流变仪控制其中一部分的材料性质，来计算其中的黏弹特性。在以上方程式当中，应力由两部分组成，一部分与应变同相位的应力，它是弹性形变的主动力；另一部分是与应变相位相差π/2的应力，它对应的形变是黏性形变，主要用于克服摩擦力。定义储能模量(G")是相同的应力和应变幅值的比值，损耗模量(G″)是相位差为π/2的应力与应变幅值比值，即：

在这个方程式当中，σ0－应力；γ0－应变；δ－相位角；G"－储能模量代表聚合物流体的弹性分量，反映了聚合物熔体通过熵弹形变储存能量的能力；G″－损耗模量代表聚合物材料在发生形变过程中，由于黏性形变而损耗的能量，它反映着聚合物材料黏性的大小。

辜婷等人用旋转流变仪测量了现代塑料的性能，用旋转流变仪测量了现代塑料的弹性功能，其综合国内外研究的基本情况，指出了旋转流变仪在材料分子学当中的运用前景。廖华勇等用旋转流变仪建立了聚丙烯（PP）/尼龙6（PA6）共混物的动态模型，并用Maxwell模型计算了聚合物的频率曲线。陈倩倩等研究了旋转交联透明质酸钠的制备及其流变性能，采用旋转法测定了透明质酸钠（HA）和CHA的黏度和回收特性，研究了HA和CHA在不同浓度、交联度和温度下的流变性能，利用流变仪对聚合物材料性质的测试，得出了聚合物材料的弹性西能。许恩惠等研究人员发现，尼龙6纳米复合材料会随着亚铵化物含量的增加而出现一种前沿现象；利用Han曲线进一步研究表明，亚铵化物在材料中的团聚是导致Cole-Cole曲线出现严重的拖尾现象的主要原因。张婧婧等通过加入交联剂对聚乳酸（PLA）的生理特性进行了研究，其研究表明，交联剂过氧化二异丙苯（DCP）的加入使PLA在低频区的切向黏度和复黏度损失显著增加。PLA的熔体的相对形式也会发生随之的改变，其中的强度和弹性值都会有所增强，在高频区这种交联结构被破坏，样品的黏性降低，使得弹性较高。

3.2 多相高分子聚合物的流变行为

由于聚合物的性质不同，不同材料的物理形态和化学性质也不相同。廖声涛等研究了新型尼龙纳米复合材料的微观结果，指出其阻燃性能对分子的阻燃性能有一定的影响。其针对三种不同的高分子聚合物材料利用旋转流变仪进行了相应的测量，通过对三种不同类型的高分子聚合物性质进行分析，探究了不同类型高分子的流变学性质。丁玲等针对化聚乳酸和聚琥珀酸丁烯酯（PLA/PBS）流变学和发泡性能进行了相应的研究，改性后的PLA/PBS体系中分子链缠结度大，松弛时间长，黏度和低频段黏度大。Cole-Cole曲线表明改性体系中存在具有一定支化程度的长支链，改性PLA/PBS体系中存在具有一定支化度的长支链，长支链的出现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离子柱撑mg-Al-HTLcs含量对纳米MgAl-HTLcs/尼龙6复合材料结构和性能的影响。

3.3 聚合物材料结晶流变学

聚合物材料的结晶过程包括晶核的形成和晶体的生长，聚合物高分子材料按照结晶结构的形式进行区分可以分为晶区和非晶区。对于结晶聚合物的测试而言，可以采用旋转流变仪，热台偏光显微镜和毛细管流变仪等多种测试方法。林凌等针对疏水缔合聚合物流变性能进行了相应的研究，利用旋转流变仪对其性质进行了相应的测试，利用用旋转黏度计和流变仪等考察了PSM/HAP溶液的表观黏度、剪切稀释行为和黏弹性，最后的研究结果表明，HAP加量超过其临界缔合浓度（2g/L）时，HAP在水溶液中形成网状结构的主要方式为链间缔合。胡孝迎等对高分子聚合物PA6的结晶性质进行相应的研究分析，利用氯化锂(LiCl)的相对性质探究其对PA6结晶情况的影响，研究指出LiCl/PA6复合体系的成核温度(Tb)、晶体的形成及生长温度(Tc)都会随着LiCl含量的增加而改变，其性质也会发生相应的变化。兰小蓉等针对高分子聚合树脂的制备进行了相应的研究，其研究指出PLA/丙烯酸树脂(PAA)共混物的结晶体形成，受氢键作用的影响。黄伟江利用旋转流变仪和扫描电子显微镜(SEM)对复合材料的热性能，流变行为，力学性能以及微观形貌进行研究，指出硅烷偶联剂中添加F-SEP对PE/PA6基体能够有效增强复合材料的热性能，流变行为和力学性能。

4 结束语

聚合物已经成为日常生活中重要的组成部分，其性质和特性对于生活质量有着一定程度的影响。旋转流变仪对聚合物材料的性质测量具有良好的效果，在生产和研究领域的运用也越来越充分，其提供的数据分析，对于聚合物实际加工行业的发展，有着良好的促进作用。相信随着旋转流变仪的进一步深入探究，必然能够促进新型聚合物的研发和生产。