流變儀在高分子物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

將流變儀應(yīng)用于高分子物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以使學(xué)生加深對高分子物理理論課中聚合物粘彈性與流變性能的理解。簡要介紹了旋轉(zhuǎn)流變儀的基本原理和主要檢測功能，并通過一些實(shí)例闡述了旋轉(zhuǎn)流變儀在高分子物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的具體應(yīng)用。該實(shí)驗(yàn)的設(shè)置可以使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)鞏固高分子物理知識，分析流變實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)的具體的高分子物理問題，更好地理解與掌握高分子科學(xué)的基本理論。

高分子物理是高分子材料相關(guān)專業(yè)的本科必修專業(yè)基礎(chǔ)課，主要研究聚合物的結(jié)構(gòu)-性能-分子運(yùn)動之間的關(guān)系。通過開設(shè)高分子物理實(shí)驗(yàn)，一方面可以使學(xué)生增加感性認(rèn)識，加深對課堂理論知識的理解，另一方面可以使學(xué)生掌握聚合物結(jié)構(gòu)和性能測定的基本方法，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能。

聚合物流變性能測試是觀察高分子材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的窗口，不僅可以認(rèn)識聚合物的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，還能簡便GX地進(jìn)行高分子材料的質(zhì)量檢測和質(zhì)量控制，從而對其加工成型過程提供理論指導(dǎo)。旋轉(zhuǎn)流變儀是研究高分子材料流變性能Z重要的流變學(xué)測試系統(tǒng)，它不僅可以測量聚合物流體的粘度，還能在較寬的頻率、溫度范圍內(nèi)研究聚合物的動態(tài)粘彈性，從而揭示聚合物體系內(nèi)在的結(jié)構(gòu)-性能-分子運(yùn)動之間的關(guān)系。

旋轉(zhuǎn)流變儀的功能簡介

旋轉(zhuǎn)流變儀依靠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來產(chǎn)生簡單剪切流動，可以快速表征材料的粘彈性能，比如粘度(η)、儲能模量(G')、損耗模量(G″)和損耗角正切(tanδ)等。

旋轉(zhuǎn)流變儀在高分子物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

1.聚合物溶液的纏結(jié)濃度的測定

當(dāng)高分子以分子狀態(tài)分散在溶劑中所形成均相體系稱為高分子溶液，目前廣泛應(yīng)用于涂料、粘合劑和纖維紡絲等領(lǐng)域。

聚合物在水溶液中的構(gòu)象隨著溶液濃度的改變而發(fā)生變化。當(dāng)聚合物濃度很低時，聚合物以“鏈段云”的形態(tài)無規(guī)分布在溶液，呈無規(guī)線團(tuán)構(gòu)象，分子間無相互作用，溶液粘度低；增加聚合物的濃度到某一臨界值，“鏈段云”開始接觸，此時的臨界濃度為臨界交疊濃度(c*)，聚合物溶液進(jìn)入亞濃溶液區(qū)；進(jìn)一步增加聚合物濃度，聚合物分子鏈間發(fā)生纏結(jié)、交聯(lián)，稱為聚合物濃溶液，此時的濃度定義為纏結(jié)濃度(ce)。

高分子材料的加工對象主要涉及聚合物溶液和熔體，因此，對聚合物溶液的臨界濃度參數(shù)c*、ce的研究不僅具有理論意義，而且具有重要的實(shí)用價值。

通過流變實(shí)驗(yàn)，借助烏氏粘度計和旋轉(zhuǎn)流變儀，可以測定一系列不同濃度的聚合物溶液的增比粘度(ηsp)，并繪制ηsp-c曲線，通過曲線擬合和標(biāo)度率確定c*和ce的值。Qiao等研究了明膠水溶液的粘度隨濃度的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)添加無機(jī)鹽NaCl后，明膠溶液的c*和ce均有一定程度的降低。

2.粒子填充聚合物復(fù)合體系流變性能的測定

為了提高聚合物基體的力學(xué)性能和耐熱性，填充復(fù)合改性(在聚合物基體中填充無機(jī)納米粒子)是一種有效的方法。通過動態(tài)流變性能的測定，可以研究填充無機(jī)粒子的體積分?jǐn)?shù)、形狀對復(fù)合體系的彈性、力學(xué)松弛時間和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等的影響。筆者帶著學(xué)生通過平板硫化機(jī)制備了一系列不同SiO2粒子含量的聚丙烯(PP)試樣，研究了復(fù)合體系在熔融溫度下的流變性能。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，松弛時間(τ)(定義為G'=G″時對應(yīng)的角頻率的倒數(shù))隨粒子填充含量的增加而增大，表明填充的無機(jī)納米粒子與聚合物分子鏈間存在相互作用，阻礙了分子鏈的運(yùn)動，從而使得松弛時間增大。通過該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生掌握了平板硫化機(jī)制備圓片試樣的方法，認(rèn)識無機(jī)粒子對聚合物基體的填充增應(yīng)，為聚合物材料的復(fù)合改性打下了一定的基礎(chǔ)。

3.聚合物-膠體懸浮液的聚集穩(wěn)定性表征

膠體懸浮液的聚集穩(wěn)定性對于其實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要，通過添加聚合物可以調(diào)控膠體粒子間的相互作用勢能，從而影響其聚集穩(wěn)定性。

聚合物分子量對膠體粒子懸浮液的影響包括以下兩方面：①當(dāng)分子量較低時，聚合物通過對膠體的吸附和空間位阻效應(yīng)，阻礙粒子的聚集；②當(dāng)分子量超過某一臨界值時，聚合物通過橋聯(lián)作用，加速粒子的聚集。

ShuR等通過選擇低分子量的聚乙二醇(PEG)，從而排除僑聯(lián)作用，然后研究PEG濃度對氧化石墨烯(GO)懸浮液流變性能的影響。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，增加PEG濃度，所有試樣均呈現(xiàn)彈性固體特征(G'基本不隨角頻率變化)，但其線性彈性模量G'p發(fā)生明顯變化(G'p的數(shù)值先減小后增大)。通過該實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生認(rèn)識到，添加的聚合物濃度不同會導(dǎo)致復(fù)合體系微觀結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)性能不同。因此，聚合物的分子量和濃度對聚合物復(fù)合體系的流變特性有很大的影響。

4.物理凝膠化的流變表征

聚合物水凝膠是一類能迅速吸收并保持大量水分而又不溶于水的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料，目前廣泛在藥物控釋、細(xì)胞培養(yǎng)和廢水處理等領(lǐng)域。聚合物的溶液-凝膠轉(zhuǎn)變，即凝膠化的研究對認(rèn)識聚合物水凝膠的優(yōu)異性能的微觀來源和制備過程均具有重要的指導(dǎo)意義。

戴琳等通過動態(tài)頻率掃描跟蹤了不同濃度的結(jié)冷膠水溶液的物理凝膠化轉(zhuǎn)變過程，并進(jìn)一步借助Winter判據(jù)確定凝膠化點(diǎn)(Tgel)，利用逾滲模型(percolationmodel)獲得臨界凝膠的松弛臨界指數(shù)(n)和分形維數(shù)(df)。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著結(jié)冷膠濃度cg增大，Tgel升高，n值降低，表明結(jié)冷膠的凝膠化過程不具有普適性的臨界指數(shù)。該實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生充分掌握聚合物溶液的凝膠化轉(zhuǎn)變的理論知識，有助于學(xué)生深刻認(rèn)識聚合物的濃度對其微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。

結(jié)語

將“粒子填充聚合物熔體流變實(shí)驗(yàn)”引入高分子物理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，可以使學(xué)生了解旋轉(zhuǎn)流變儀的基本原理和操作步驟，掌握了數(shù)據(jù)處理求解松弛時間的方法，從而關(guān)聯(lián)聚合物結(jié)構(gòu)-性能的高分子物理問題。教學(xué)實(shí)踐表明，開設(shè)該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生對高分子物理相關(guān)章節(jié)的理論課的學(xué)習(xí)和理解，教學(xué)效果良好。