复合材料中线性和非线性粘弹性特性检测方案(流变仪)

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采用带滚珠轴承的流变仪进行振荡测试 Fabian Meyer， Jan Philip Plog 1Thermo Fisher Scientific， Karlsruhe， Germany 振荡模式下的流变实验，不仅可用于测定粘|性，还可用于测定材料弹性。与旋转实验相比，振荡实验的其中一项主要优势是，当在线性粘弹性范围内进行实验时，可视为无损实验。特别是在实验过程中施加作用力不会破坏或损坏样品的微观结构。这就是将振荡实验作为研究复合材料的储存特性及保质期稳定性的首选方法的原因所在。此外，还可通过振荡实验对相变、结晶和固化过程进行研究。然而，动态振荡实验需要使用配有低摩擦轴承系统、低惯量仪器和高度动态电机的流变仪。因此，此类实验通常专门使用空气轴承型流变仪。在后续研究中，我们展示了功能强劲，但仍具有高度动态的旋转流变仪(带机械轴承)的振荡功能，给出了对各种材料进行不同振荡实验的结果。 简介 在振荡模式下的流变实验期间，样品受到形变(控制形变模式， CD)或剪切应力(控制应力模式， CS) 的连续正弦作用中。依照作用类型的不同，实验材料将以应力(CD 模式)或形变(CS模式)形式作出响应。当所施加应力或形变信号的幅值较低时，样品响应也将呈现正弦形状。该范围被称为线性粘弹性范围，在该范围内进行的各项实验可视为无损实验，即所施加的作用力过低，不足以改变材料的微观结构。依照样品类型的不同，施加的正弦信号及样品的响应信号将出现相移，增量(8)介于0°~90°。0°相移表示样品未显现粘性反应，因此认定样品为纯弹性；90°相移意味着某种材料显现纯粘性，无任何弹性响应。在现实生活中，多数复合材料会同时显现粘性和弹性，即粘弹性。振荡测量技术是对材料结构之中隐藏的粘性和弹性进行量化处理的理想选择。当在无损线性粘弹性范围内进行振荡实验时，可研究材料的保质期稳定性。方法 流变仪 所有测试均采用 配有 Peltier 温度控制单元的 Thermo Scientific HAAKE ViscotesteriQ(图 1) 图1配有 Peltier 温度控制单元和平行板转子的 Thermo ScientificHAAKETM ViscotesterTM iQ流变仪。 这种紧凑型旋转流变仪配备有高度动态的电子换向(EC)电机，该电机允许在控制应力(CS)和控制速率(CR)模式下进行旋转流变实验。 尽管此仪器的轴承为机械轴承，与空气轴承流变仪相比，其轴承摩擦和系统总惯量大得多，但是在一定频率、角偏转和扭矩范围内，也可在CS 模式和 CD 模式下进行振荡实验。表1列出了振荡实验的技术参数/测量范围： 表1采用 HAAKE Viscotester iQ 流变仪进行振荡实验的技术参数。 参数 值最小扭矩 (CS 和 CD模式) 0.2 mNm最大扭矩 (CS和CD模式) 100 mNm最小转角(CS 和 CD 模式) 10 prad最大转角 (CS 和 CD模式)最小振荡频率 0.1 Hz最大振荡频率 20 Hz振荡测量的最小粘度 5000 mPas 样品 结果 所有实验样品均为市售产品。所用非牛顿流体标准物质是美国国家标准与技术研究院(NIST， Gaithersburg，MD， USA)提供的溶解在2，6，10，14-四甲基十五烷的聚异丁烯。图2所示为使用 Viscotester iQ 流变仪对NIST 提供的非牛顿流体标准物质进行振幅扫描的结果。该实验采用60 mm 的平行板转子进行。测量间隙设定为 0.5 mm。为了进行比较，还使用配备 35mm平行板转子的高端空气轴承流变仪对相同的材料进行了实验。测量间隙设图225℃时， NIST 非牛顿标准物质的储能模量G'和损耗模量G”(与形变y成函数关系)。Viscotester iQ 流变仪的实验结果与空气轴承流变仪实验结果基本一致。针对 G'和 G"，这两种仪器之间的最大差值小于5%。模量数据清楚地表明，被测标准样品的线性与非线性粘弹性范围之间明显存在差异。从振幅扫描获得的信息表明，可在线性粘弹性范围内进行频率扫描。图3所示为 NIST 提供的认证数据及实验结果。 图325℃时，NIST 非牛顿标准物质的储能模量G'、损耗模量G”和复数粘度 In*l(与角频率成函数关系)。 从图3中可以看出，测得值与标准值非常一致。使用相同的插值法计算此二种情形的储能模量(G')与损耗模量(G")的交叉点，该插值法由仪器自带的 RheoWin 操作软件提供。两个计算模量值之间的差异小于7%。对于交叉频率，值几乎相同。 在确认 HAAKE Viscotester iQ 流变仪振荡测量模式的性能之后，对几种消费品进行了实验。为确定各种材料的线性粘弹性范围，进行了振幅扫描，结果如图4所示。 y(单位%) 图4 20℃时，不同消费品的储能模量 G’和损耗模量 G” (与形变y成函数关系)。 从图4中可以看出，有效变形范围取决于材料粘度。由于机械轴承会导致扭矩限制较低，所以不能在低变形条件下对总粘度较低的材料进行实验。随着粘度的增加，测量范围朝着低变形延伸。尽管存在扭矩限制，但是仍可确定所有这三种实验样品的线性粘弹性范围边界，并进行 图520℃时，不同消费品的储能模量 G’和损耗模量 G”(与频率f成函数关系) 概述振荡模式下的流变实验，不仅可用于测定粘性，还可用于测定材料弹性。与旋转实验相比，振荡实验的其中一项主要优势是，当在线性粘弹性范围内进行实验时，可视为无损实验。特别是，在实验过程中施加作用力不会破坏或损坏样品的微观结构。这就是将振荡实验作为研究复合材料的储存特性及保质期稳定性的首选方法的原因所在。此外，还可通过振荡实验对相变、结晶和固化过程进行研究。然而，动态振荡实验需要使用配有低摩擦轴承系统、低惯量仪器和高度动态电机的流变仪。因此，此类实验通常专门使用空气轴承型流变仪。在后续研究中，我们展示了功能强劲，但仍具有高度动态的旋转流变仪（带机械轴承）的振荡功能，给出了对各种材料进行不同振荡实验的结果。简介在振荡模式下的流变实验期间，样品受到形变（控制形变模式，CD）或剪切应力（控制应力模式，CS）的连续正弦作用中。依照作用类型的不同，实验材料将以应力（CD 模式）或形变（CS 模式）形式作出响应。当所施加应力或形变信号的幅值较低时，样品响应也将呈现正弦形状。该范围被称为线性粘弹性范围，在该范围内进行的各项实验可视为无损实验，即所施加的作用力过低，不足以改变材料的微观结构。依照样品类型的不同，施加的正弦信号及样品的响应信号将出现相移，增量（δ）介于 0°～90°。0° 相移表示样品未显现粘性反应，因此认定样品为纯弹性； 90° 相移意味着某种材料显现纯粘性，无任何弹性响应。在现实生活中，多数复合材料会同时显现粘性和弹性，即粘弹性。振荡测量技术是对材料结构之中隐藏的粘性和弹性进行量化处理的理想选择。当在无损线性粘弹性范围内进行振荡实验时，可研究材料的保质期稳定性。 方    法流变仪所有测试均采用 配有 Peltier 温度控制单元的 Thermo Scientific HAAKE Viscotester iQ（图1）。图 1 配有 Peltier 温度控制单元和平行板 转 子 的 Thermo赛默飞 Scientific HAAKE哈克 Viscotester iQ 流变仪。 这种紧凑型旋转流变仪配备有高度动态的电子换向（EC）电机，该电机允许在控制应力（CS）和控制速率（CR）模式下进行旋转流变实验。 尽管此仪器的轴承为机械轴承，与空气轴承流变仪相比，其轴承摩擦和系统总惯量大得多，但是在一定频率、角偏转和扭矩范围内，也可在CS 模式和 CD 模式下进行振荡实验。表 1  列出了振荡实验的技术参数/测量范围： 表 1 采用 HAAKE哈克 Viscotester iQ 流变仪进行振荡实验的技术参数。 样品所有实验样品均为市售产品。所用非牛顿流体标准物质是美国国家标准与技术研究院（NIST, Gaithersburg, MD, USA）提供的溶解在2,6,10,14-四甲基十五烷的聚异丁烯。结果图 2 所示为使用HAAKE哈克 Viscotester iQ 流变仪对NIST 提供的非牛顿流体标准物质进行振幅扫描的结果。该实验采用 60 mm 的平行板转子进行。测量间隙设定为 0.5 mm。为了进行比较， 还使用配备 35 mm 平行板转子的高端空气轴承流变仪对相同的材料进行了实验。测量间隙设定为 0.5 mm。 图 2 25℃时，NIST 非牛顿标准物质的储能模量G’ 和损耗模量 G”（与形变g成函数关系）。 HAAKE哈克 Viscotester iQ 流变仪的实验结果与空气轴承流变仪实验结果基本一致。针对 G' 和 G''，这两种仪器之间的最大差值小于 5％。模量数据清楚地表明，被测标准样品的线性与非线性粘弹性范围之间明显存在差异。 从振幅扫描获得的信息表明，可在线性粘弹性范围内进行频率扫描。图 3 所示为 NIST 提供的认证数据及实验结果。 图 3 25℃时，NIST 非牛顿标准物质的储能模量 质期和稳定性。G’、损耗模量 G” 和复数粘度 Iη*I（与角频率成函数关系）。 从图 3 中可以看出，测得值与标准值非常一致。使用相同的插值法计算此二种情形的储能模量（G'）与损耗模量（G''）的交叉点，该插值法由仪器自带的 RheoWin 操作软件提供。两个计算模量值之间的差异小于 7％。对于交叉频率，值几乎相同。 在确认 HAAKE哈克 Viscotester iQ 流变仪振荡测量模式的性能之后，对几种消费品进行了实验。为确定各种材料的线性粘弹性范围，进行了振幅扫描，结果如图 4 所示。 图 4 20℃ 时，不同消费品的储能模量 G’ 和损耗模量 G”（与形变g成函数关系）。 从图 4 中可以看出，有效变形范围取决于材料粘度。由于机械轴承会导致扭矩限制较低， 所以不能在低变形条件下对总粘度较低的材料进行实验。随着粘度的增加，测量范围朝着低变形延伸。尽管存在扭矩限制，但是仍可确定所有这三种实验样品的线性粘弹性范围边界，并进行了频率扫描。 图 5 20℃时，不同消费品的储能模量 G’ 和损耗模量 G”（与频率 f 成函数关系） 图 5 所示为频率扫描的结果。所有实验均在Viscotester iQ  流变仪的最大频率范围内进行。但是，图中仅显示大于最小扭矩（200  μNm）的采集数据。正如对此类材料预计的那样，在整个有效频率范围内，这两种化妆品乳剂均具有显著弹性特性。与护体乳相比，护肤霜的 G' 与 G'' 差异较大，表明储存稳定性较高，而相分离倾向较低。在所研究的频率范围内，洗涤剂显示一个交叉点。频率较低时，此材料具有显著粘性；频率较高时，具有更强的弹性特性。结论研究表明可用机械轴承旋转流变仪进行振荡实验。虽然相比高性能的低摩擦、低惯量空气轴承流变仪，其测量范围相对有限，但是其实验结果可用于识别各种材料的线性和非线性粘弹性特性。线性粘弹性范围内的频率扫描可显示给定材料的详细微观结构，并根据推断总结出材料的保质期和稳定性。