動態流變儀用於測量材料的粘彈性,如圖1 所示,該技術是以振蕩運動的方式將剪切旋轉力施加到樣品上。流變儀由固定材料的樣品夾組成:線性驅動電機,為施加力提供負載;位移傳感器;溫度控制器(爐和液氮管線)。樣品和夾具的幾何形狀高度取決於所需的測試材料高度。
圖1,流變儀的組件
在粘彈性材料上施加剪切應力時,一些能量被存儲(儲能模量G』),並使材料恢復原始形狀;同時由於材料變形,一些能量會通過耗散而損失(損耗模量G」)。彈性和粘性的差異表現在振蕩剪切的流變中。對於完全彈性的材料,一旦施加應力,就會發生變形;而對於完全粘滯的材料,形變過程存在時間延遲,可以在施加應力之後進行測量,直到變形發生。圖2中,φ是相角,表示施加的應力和測得的應變之間的時間差。如果φ為0?,材料完全具有彈性;如果φ為90?,材料為完全粘滯的材料。所有粘彈性材料的φ在0?和90?之間。流變儀可以測量應力、在樣品上每個區域的作用力、應變以及微小形變。材料的彈性模量和粘度可以分別通過應力與應變的比率、應力與應變的比率來計算。
圖2,施加的應力與測得的振動剪切應力之間的時間圖。
如果在理想實體的上表面施加切向力(圖3);
圖3,理想固體的剪切變形。
剪切應力(a)為施加力(F)與上表面面積(A)之比:
a=F/A(Pa)
如果剪切速度為V0,則剪切速率D可以通過以下公式計算:
V0=dx/dt(m/s)
D=V0/h0(1/s)
h0是實體的高度。
剪切應變γ可通過以下公式計算:
γ=dx/h0
模量G和粘度η可通過以下公式計算:
G=a/γ(Pa)
η=a/D(Pa·s)
動態流變學的測量是通過振蕩流變儀進行的,該流變儀與頂部的旋轉板和底部的穩定平行板組合。它對樣品施加正弦應變:
γt=γ0sinωt
ω是角頻率,t是時間。
儲能模量G』和損耗模量G」可通過以下公式計算:
G』= (a0/γ0)cosδ
G」= (a0/γ0)sinδ
δ為相角,取決於材料的響應。如果δ為零,則表示沒有滯後,樣品為理想彈性固體。
角損耗正切,tanδ=G」/G』
對於通過振蕩流變測試的材料,G'的值可以看作是彈性的度量或存儲了多少能量;G」的值可以看作是粘度的量度或每單位應變耗散了多少能量。tanδ表明材料的狀態是固態的(彈性的)還是流體的(粘性的)。對於完全彈性材料,tanδ值為0。tanδ<1時,材料表現出的彈性大於粘度。tanδ= 1時的臨界應變是材料破裂時的應變,可以用來衡量延展性。tanδ>1時,材料則顯示出更多的粘性行為。
流變儀不僅可以測量模量和粘度,還可以測量聚合物的熱轉變,包括玻璃化轉變溫度(Tg),該溫度是區分半結晶聚合物的玻璃態和橡膠態的溫度。在典型的儲能模量與溫度之間的關係圖中(圖4),還經常可以看到亞Tg躍遷,該躍遷反映了分子振動的順序,即鍵彎曲和拉伸以及側基運動。它們不如Tg突出,因為它們與模量的較小變化有關。
圖4,聚合物的典型流變儀溫度掃描,顯示由於分子運動(鍵彎曲和拉伸,側鏈運動等)和體積增加而導致溫度升高時儲能模量的降低。
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