采用帶滾珠軸承的流變儀進行振蕩測試

概述

振蕩模式下的流變實驗，不僅可用于測定粘性，還可用于測定材料彈性。與旋轉實驗相比，振蕩實驗的其中一項主要優(yōu)勢是，當在線性粘彈性范圍內(nèi)進行實驗時，可視為無損實驗。特別是，在實驗過程中施加作用力不會破壞或損壞樣品的微觀結構。這就是將振蕩實驗作為研究復合材料的儲存特性及保質期穩(wěn)定性的方法的原因所在。此外，還可通過振蕩實驗對相變、結晶和固化過程進行研究。然而，動態(tài)振蕩實驗需要使用配有低摩擦軸承系統(tǒng)、低慣量儀器和高度動態(tài)電機的流變儀。因此，此類實驗通常專門使用空氣軸承型流變儀。在后續(xù)研究中，我們展示了功能強勁，但仍具有高度動態(tài)的旋轉流變儀（帶機械軸承）的振蕩功能，給出了對各種材料進行不同振蕩實驗的結果。

簡介

在振蕩模式下的流變實驗期間，樣品受到形變（控制形變模式，CD）或剪切應力（控制應力模式，CS）的連續(xù)正弦作用中。依照作用類型的不同，實驗材料將以應力（CD 模式）或形變（CS 模式）形式作出響應。當所施加應力或形變信號的幅值較低時，樣品響應也將呈現(xiàn)正弦形狀。該范圍被稱為線性粘彈性范圍，在該范圍內(nèi)進行的各項實驗可視為無損實驗，即所施加的作用力過低，不足以改變材料的微觀結構。依照樣品類型的不同，施加的正弦信號及樣品的響應信號將出現(xiàn)相移，增量（δ）介于 0°～90°。0° 相移表示樣品未顯現(xiàn)粘性反應，因此認定樣品為純彈性； 90° 相移意味著某種材料顯現(xiàn)純粘性，無任何彈性響應。在現(xiàn)實生活中，多數(shù)復合材料會同時顯現(xiàn)粘性和彈性，即粘彈性。振蕩測量技術是對材料結構之中隱藏的粘性和彈性進行量化處理的理想選擇。當在無損線性粘彈性范圍內(nèi)進行振蕩實驗時，可研究材料的保質期穩(wěn)定性。

方    法

流變儀

所有測試均采用 配有 Peltier 溫度控制單元的 Thermo Scientific HAAKE Viscotester iQ（圖1）。

圖 1 配有 Peltier 溫度控制單元和平行板 轉 子 的 

Thermo賽默飛 Scientific HAAKE哈克 Viscotester iQ 流變儀。

這種緊湊型旋轉流變儀配備有高度動態(tài)的電子換向（EC）電機，該電機允許在控制應力（CS）和控制速率（CR）模式下進行旋轉流變實驗。

盡管此儀器的軸承為機械軸承，與空氣軸承流變儀相比，其軸承摩擦和系統(tǒng)總慣量大得多，但是在一定頻率、角偏轉和扭矩范圍內(nèi)，也可在CS 模式和 CD 模式下進行振蕩實驗。表 1  列出了振蕩實驗的技術參數(shù)/測量范圍：

表 1 采用 HAAKE哈克 Viscotester iQ 流變儀進行振蕩實驗的技術參數(shù)。

樣品

所有實驗樣品均為市售產(chǎn)品。所用非牛頓流體標準物質是美國國家標準與技術研究院（NIST, Gaithersburg, MD, USA）提供的溶解在2,6,10,14-四甲基十五烷的聚異丁烯。

結果

圖 2 所示為使用HAAKE哈克 Viscotester iQ 流變儀對NIST 提供的非牛頓流體標準物質進行振幅掃描的結果。該實驗采用 60 mm 的平行板轉子進行。測量間隙設定為 0.5 mm。為了進行比較， 還使用配備 35 mm 平行板轉子的空氣軸承流變儀對相同的材料進行了實驗。測量間隙設定為 0.5 mm。

圖 2 25℃時，NIST 非牛頓標準物質的儲能模量G’ 和損耗模量 G”（與形變g成函數(shù)關系）。

HAAKE哈克 Viscotester iQ 流變儀的實驗結果與空氣軸承流變儀實驗結果基本一致。針對 G' 和 G''，這兩種儀器之間的zui大差值小于 5％。模量數(shù)據(jù)清楚地表明，被測標準樣品的線性與非線性粘彈性范圍之間明顯存在差異。

從振幅掃描獲得的信息表明，可在線性粘彈性范圍內(nèi)進行頻率掃描。圖 3 所示為 NIST 提供的認證數(shù)據(jù)及實驗結果。

圖 3 25℃時，NIST 非牛頓標準物質的儲能模量 質期和穩(wěn)定性。

G’、損耗模量 G” 和復數(shù)粘度 Iη*I（與角頻率成函數(shù)關系）。

從圖 3 中可以看出，測得值與標準值非常一致。使用相同的插值法計算此二種情形的儲能模量（G'）與損耗模量（G''）的交叉點，該插值法由儀器自帶的 RheoWin 操作軟件提供。兩個計算模量值之間的差異小于 7％。對于交叉頻率，值幾乎相同。

在確認 HAAKE哈克 Viscotester iQ 流變儀振蕩測量模式的性能之后，對幾種消費品進行了實驗。為確定各種材料的線性粘彈性范圍，進行了振幅掃描，結果如圖 4 所示。

圖 4 20℃ 時，不同消費品的儲能模量 G’ 和損耗模量 G”（與形變g成函數(shù)關系）。

從圖 4 中可以看出，有效變形范圍取決于材料粘度。由于機械軸承會導致扭矩限制較低， 所以不能在低變形條件下對總粘度較低的材料進行實驗。隨著粘度的增加，測量范圍朝著低變形延伸。盡管存在扭矩限制，但是仍可確定所有這三種實驗樣品的線性粘彈性范圍邊界，并進行了頻率掃描。

圖 5 20℃時，不同消費品的儲能模量 G’ 和損耗模量 G”（與頻率 f 成函數(shù)關系）

圖 5 所示為頻率掃描的結果。所有實驗均在Viscotester iQ  流變儀的zui大頻率范圍內(nèi)進行。但是，圖中僅顯示大于zui小扭矩（200  μNm）的采集數(shù)據(jù)。正如對此類材料預計的那樣，在整個有效頻率范圍內(nèi)，這兩種化妝品乳劑均具有顯著彈性特性。與護體乳相比，護膚霜的 G' 與 G'' 差異較大，表明儲存穩(wěn)定性較高，而相分離傾向較低。在所研究的頻率范圍內(nèi)，洗滌劑顯示一個交叉點。頻率較低時，此材料具有顯著粘性；頻率較高時，具有更強的彈性特性。

結論

研究表明可用機械軸承旋轉流變儀進行振蕩實驗。雖然相比高性能的低摩擦、低慣量空氣軸承流變儀，其測量范圍相對有限，但是其實驗結果可用于識別各種材料的線性和非線性粘彈性特性。線性粘彈性范圍內(nèi)的頻率掃描可顯示給定材料的詳細微觀結構，并根據(jù)推斷總結出材料的保質期和穩(wěn)定性。