流变仪在高分子物理实验中的应用

将流变仪应用于高分子物理实验教学，可以使学生加深对高分子物理理论课中聚合物粘弹性与流变性能的理解。简要介绍了旋转流变仪的基本原理和主要检测功能，并通过一些实例阐述了旋转流变仪在高分子物理实验教学中的具体应用。该实验的设置可以使学生通过实验巩固高分子物理知识，分析流变实验中体现的具体的高分子物理问题，更好地理解与掌握高分子科学的基本理论。

高分子物理是高分子材料相关专业的本科必修专业基础课，主要研究聚合物的结构-性能-分子运动之间的关系。通过开设高分子物理实验，一方面可以使学生增加感性认识，加深对课堂理论知识的理解，另一方面可以使学生掌握聚合物结构和性能测定的基本方法，培养学生的实验技能。

聚合物流变性能测试是观察高分子材料内部结构的窗口，不仅可以认识聚合物的结构与性能的关系，还能简便高效地进行高分子材料的质量检测和质量控制，从而对其加工成型过程提供理论指导。旋转流变仪是研究高分子材料流变性能最重要的流变学测试系统，它不仅可以测量聚合物流体的粘度，还能在较宽的频率、温度范围内研究聚合物的动态粘弹性，从而揭示聚合物体系内在的结构-性能-分子运动之间的关系。

旋转流变仪的功能简介

旋转流变仪依靠旋转运动来产生简单剪切流动，可以快速表征材料的粘弹性能，比如粘度(η)、储能模量(G')、损耗模量(G″)和损耗角正切(tanδ)等。

旋转流变仪在高分子物理实验教学中的应用

1.聚合物溶液的缠结浓度的测定

当高分子以分子状态分散在溶剂中所形成均相体系称为高分子溶液，目前广泛应用于涂料、粘合剂和纤维纺丝等领域。

聚合物在水溶液中的构象随着溶液浓度的改变而发生变化。当聚合物浓度很低时，聚合物以“链段云”的形态无规分布在溶液，呈无规线团构象，分子间无相互作用，溶液粘度低；增加聚合物的浓度到某一临界值，“链段云”开始接触，此时的临界浓度为临界交叠浓度(c*)，聚合物溶液进入亚浓溶液区；进一步增加聚合物浓度，聚合物分子链间发生缠结、交联，称为聚合物浓溶液，此时的浓度定义为缠结浓度(ce)。

高分子材料的加工对象主要涉及聚合物溶液和熔体，因此，对聚合物溶液的临界浓度参数c*、ce的研究不仅具有理论意义，而且具有重要的实用价值。

通过流变实验，借助乌氏粘度计和旋转流变仪，可以测定一系列不同浓度的聚合物溶液的增比粘度(ηsp)，并绘制ηsp-c曲线，通过曲线拟合和标度率确定c*和ce的值。Qiao等研究了明胶水溶液的粘度随浓度的变化关系，发现添加无机盐NaCl后，明胶溶液的c*和ce均有一定程度的降低。

2.粒子填充聚合物复合体系流变性能的测定

为了提高聚合物基体的力学性能和耐热性，填充复合改性(在聚合物基体中填充无机纳米粒子)是一种有效的方法。通过动态流变性能的测定，可以研究填充无机粒子的体积分数、形状对复合体系的弹性、力学松弛时间和玻璃化转变温度等的影响。笔者带着学生通过平板硫化机制备了一系列不同SiO2粒子含量的聚丙烯(PP)试样，研究了复合体系在熔融温度下的流变性能。

结果发现，松弛时间(τ)(定义为G'=G″时对应的角频率的倒数)随粒子填充含量的增加而增大，表明填充的无机纳米粒子与聚合物分子链间存在相互作用，阻碍了分子链的运动，从而使得松弛时间增大。通过该实验，学生掌握了平板硫化机制备圆片试样的方法，认识无机粒子对聚合物基体的填充增强效应，为聚合物材料的复合改性打下了一定的基础。

3.聚合物-胶体悬浮液的聚集稳定性表征

胶体悬浮液的聚集稳定性对于其实际应用至关重要，通过添加聚合物可以调控胶体粒子间的相互作用势能，从而影响其聚集稳定性。

聚合物分子量对胶体粒子悬浮液的影响包括以下两方面：①当分子量较低时，聚合物通过对胶体的吸附和空间位阻效应，阻碍粒子的聚集；②当分子量超过某一临界值时，聚合物通过桥联作用，加速粒子的聚集。

ShuR等通过选择低分子量的聚乙二醇(PEG)，从而排除侨联作用，然后研究PEG浓度对氧化石墨烯(GO)悬浮液流变性能的影响。

结果发现，增加PEG浓度，所有试样均呈现弹性固体特征(G'基本不随角频率变化)，但其线性弹性模量G'p发生明显变化(G'p的数值先减小后增大)。通过该实验可使学生认识到，添加的聚合物浓度不同会导致复合体系微观结构和宏观力学性能不同。因此，聚合物的分子量和浓度对聚合物复合体系的流变特性有很大的影响。

4.物理凝胶化的流变表征

聚合物水凝胶是一类能迅速吸收并保持大量水分而又不溶于水的三维网络结构材料，目前广泛在药物控释、细胞培养和废水处理等领域。聚合物的溶液-凝胶转变，即凝胶化的研究对认识聚合物水凝胶的优异性能的微观来源和制备过程均具有重要的指导意义。