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(zhuǎn)實驗相比，振蕩實驗的其中一項主要優(yōu)勢是，當(dāng)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(jié)構(gòu)。這就是將振蕩實驗作為研究復(fù)合材料的儲存特性及保質(zhì)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(jié)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(zhuǎn)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(jié)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(yīng)力（控制應(yīng)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(yīng)力（CD 模式）或形變（CS 模式）形式作出響應(yīng)。當(dāng)所施加應(yīng)力或形變信號的幅值較低時，樣品響應(yīng)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(jié)構(gòu)。依照樣品類型的不同，施加的正弦信號及樣品的響應(yīng)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(yīng)，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(yīng)。在現(xiàn)實生活中，多數(shù)復(fù)合材料會同時顯現(xiàn)粘性和彈性，即粘彈性。振蕩測量技術(shù)是對材料結(jié)構(gòu)之中隱藏的粘性和彈性進行量化處理的理想選擇。當(dāng)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(zhì)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(zhuǎn) 子 的 

Thermo賽默飛 Scientific HAAKE哈克 Viscotester iQ 流變儀。

這種緊湊型旋轉(zhuǎn)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(yīng)力（CS）和控制速率（CR）模式下進行旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)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(shù)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(zhì)是美國國家標準與技術(shù)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(jié)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(zhì)進行振幅掃描的結(jié)果。該實驗采用 60 mm 的平行板轉(zhuǎn)子進行。測量間隙設(shè)定為 0.5 mm。為了進行比較， 還使用配備 35 mm 平行板轉(zhuǎn)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(shè)定為 0.5 mm。

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

HAAKE哈克 Viscotester iQ 流變儀的實驗結(jié)果與空氣軸承流變儀實驗結(jié)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(jié)果。

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

G’、損耗模量 G” 和復(fù)數(shù)粘度 Iη*I（與角頻率成函數(shù)關(guān)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(jié)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(guān)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(dǎo)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(guān)系）

圖 5 所示為頻率掃描的結(jié)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(yù)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(jié)論

研究表明可用機械軸承旋轉(zhuǎn)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(jié)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(jié)構(gòu)，并根據(jù)推斷總結(jié)出材料的保質(zhì)期和穩(wěn)定性。