旋转流变测量

1、旋转流变测量：原理、仪器及测试李润转流变测量 流变测量原理 应变、应变速率、应力 模量、黏度 线性黏弹性 时间尺度、温度效应 旋转流变仪 简单剪切变形 旋转流变仪 角位移、角速率、扭矩 工作方程 测量夹具 样品准备 旋转流变测试模式 流动（Flow） 阶跃速率 稳态速率扫描 连续速率 流动变温 振荡（Oscillation） 振幅扫描 时间 频率扫描 动态变温 阶跃（Step） 阶跃应力蠕变/回复 阶跃应变应力松弛800-820-3812http:/2流变测量原理旋转流变测量800-820-3812http:/3流变学导引 流变学是研究物质流动和变形的科学 流动是变形

2、的特例（连续变形） 变形是力作用的结果 流变学是研究形变与力之间关系的科学 流变学中变形的力学状态用应变和应力描述 应变与应力之间的关系被称为本构关系800-820-3812http:/4形变量800-820-3812http:/5应变及其张量800-820-3812http:/6应变速率及其张量800-820-3812http:/7 简单剪切变形800-820-3812http:/8简单剪切（Simple Shear）应力（Stress） 应力（Stress） 单位面积上的力 符号：（Sigma） 单位：Pa (SI)800-820-3812http:/9应力张量800-820-3812ht

3、tp:/10 简单剪切变形800-820-3812http:/11简单剪切（Simple Shear）基本本构关系800-820-3812http:/12线性黏弹性800-820-3812http:/13线性黏弹区 只有在较小形变（或形变速率）情况下真实的物质才表现为线性黏弹性，该形变区域被称为线性黏弹区。800-820-3812http:/14时间尺度 短时间尺度-固体行为 长时间尺度-流体行为800-820-3812http:/15德布拉数（Deborah Number）800-820-3812http:/16温度效应 低温下长时间观测到的力学松弛现象也可以高温下短时间内观测到。 也就是说

4、，延长观测时间和升高温度对物质力学状态的观测等效。 升高温度可以缩短观测时间，低温延长观测时间可以预测高温行为。800-820-3812http:/17旋转流变仪及其测量原理旋转流变测量800-820-3812http:/18简单剪切的仪器实现 简单剪切流场800-820-3812http:/19旋转流变仪Rotational Rheometer旋转流变仪 应力控制型（单头或电机传感器整合型） 应变控制型（双头或电机传感器分离型）800-820-3812http:/20应力控制型工作原理 由于力（扭矩）是在运动头上量测，因此，系统惯量、轴承摩擦成为不可避免的测量噪音。800-820-3812h

5、ttp:/21应变控制型工作原理 力在静止头上量测，因此，量测的力为纯粹的样品响应。800-820-3812http:/22角位移/角速率应变/应变速率800-820-3812http:/23扭矩（力） 剪切应力800-820-3812http:/24旋转流变仪工作方程模量（模量（Modulus）测量）测量原始仪器信号夹具因子流变参量物质黏弹函数800-820-3812http:/25旋转流变仪工作方程黏度（黏度（Viscosity）测量）测量原始仪器信号夹具因子流变参量物质黏弹函数800-820-3812http:/26常用测量夹具测量夹具测量夹具几何场几何场特征特征坐标系坐标系方向方向均一

6、场剪切不存在位置依赖性剪切（1）：梯度（2）：r均一场剪切不存在位置依赖性剪切（1）：梯度（2）：非均一场剪切沿半径方向存在线性依赖性剪切（1）：梯度（2）：z800-820-3812http:/27测量夹具的夹具因子同心圆筒锥板平行板800-820-3812http:/28同心圆筒 同心圆筒内筒的周表面（力作用面）大，相同扭矩下相比其他夹具应力可以更小，特别适合用于测量黏度较低的体系。 样品夹在筒间隙间，即使在较高转速下也不会因离心力作用而飞溅出去，相比其他夹具可以在较大的剪切速率下使用。 同心圆筒样品量大，且不容易清洗。800-820-3812http:/29同心圆筒末端效应 由于内筒末端

7、也接触样品，这使得内筒的有效高度并不等于其实际高度而造成误差。 末端效应消除设计： 采用锥顶；内筒末端镂空；采用双臂筒或令L/(Rc-Rb)100从而使末端可以忽略不计。800-820-3812http:/30锥板 锥板夹具在旋转流变测量中使用最多，其原因在于应变速率没有径向依赖性，整个测量流场均一。 为避免锥与板的接触磨损，实际使用的锥板常将其锥顶截掉一部分从而产生截顶间隙。 该间隙会因锥度不同而有所不同，测量时要确保正确设定，否则会产生较大测量误差。800-820-3812http:/31锥板 锥与板间空隙较小，需要的样品量较少，从而由于热传导，则样品内的温度梯度小。但反过来，也正是因为锥

8、板间隙较小，不适合用于填充体系和含大颗粒的悬浮体系的测量。 使用锥板系统，实际测试的剪切速率通常限定在比较小的范围内，这是因为低黏度样品在大剪切速率下容易因离心力作用而飞溅出去；另一方面，弹性大的样品则容易因大剪切速率下的显著的弹性效应不能保持在锥板间隙中。800-820-3812http:/32平行板 平行板夹具的优点在于间隙可以调节、精度容易检验且更容易清洗等。 间隙可调的好处在于 小间隙可抑制二次流动，需要的样品量少且有利于热传导； 角速率相同时，小间隙可得到更大的表观剪切速率； 大间隙适合测量填充体系、含颗粒的悬浮体系等。800-820-3812http:/33测量夹具选用原则 几何场

9、选择原则 同心圆筒和锥板流场均一，不仅适用于线性黏弹性能测量，还可应用于非线性黏弹性能测量 平行板流场存在径向线性依赖性，因此，原则上只适用于线性黏弹性能测量 几何尺寸选择原则 半径大越大，则其应力因子越小，同样扭矩情况下应力越小，因此，大半径夹具更适用于低黏度、低模量样品的低剪切测试；反之，高黏度、高模量测试应选用小半径夹具800-820-3812http:/34夹具材质选择原则 不锈钢价格低、易加工、溶剂抗蚀性好且使用温度范围宽，因此，使用不锈钢材质的夹具最为丰富。 但不锈钢密度大，同样几何尺寸的夹具以不锈钢夹具的质量最大，其转动惯量也最大，所以，不适合用于制造大尺寸夹具。 铝质夹具转动惯

10、量小且有一定的溶剂抗蚀性，使用的温度范围也较广，可以在多种场合使用。 一般的铝材不高，因此，常被用来制造一次性夹具（即可抛弃夹具）800-820-3812http:/35夹具材质选择原则 钛合金转动惯量小且有很好的溶剂抗蚀性，非常适合用于制造各种尺寸的夹具系统。 但钛合金价格较高，致其普及度大受限制。 塑料密度小且可以有很好的透明性，非常适合用于制造大几何尺寸的夹具 但塑料容易热变形、溶剂抗蚀性较差，致其使用场合受到很大限制。800-820-3812http:/36样品准备800-820-3812http:/37旋转流变测量模式旋转流变测量800-820-3812http:/38工作方程39黏

11、弹函数流变学量模量或黏度=应力应变或应变速率被测函数刺激和响应800-820-3812http:/刺激施加和温控模式 刺激（应变或应力）施加模式：正弦、阶跃和线性 温度控制模式：恒温、程序升/降温800-820-3812http:/40旋转流变测量模式 旋转测试（流动测试） 阶跃速率（应力增长） 阶梯刺激（稳态测试） 速率或应力 连续速率（瞬态测试） 连续变温（准稳态测试） 升温或降温 阶跃应力（瞬态测试） 蠕变及回复 振荡模式（动态测试） 振幅扫描 应变或应力 时间 频率扫描 连续变温 升温或降温 阶跃应变（瞬态测试） 应力松弛800-820-3812http:/41流动测试（Flow）旋转

12、流变测试模式800-820-3812http:/42流体分类 非牛顿流体 非依时性流体 剪切变稀黏度随剪切速率升高而降低 剪切增稠黏度随剪切速率升高而升高 依时性流体 触变性恒定剪切速率下黏度随时间延长而降低 震凝性恒定剪切速率下黏度随时间延长而升高800-820-3812http:/43阶跃速率（Step Rate, 瞬态测试） 阶跃速率 设定参数 剪切速率 持续时间 采点模式及数目 应力增长 用途 瞬态特征响应 平衡时间评估800-820-3812http:/44速率扫描（Flow Sweep, 稳态测试） 阶梯速率 参数设定 初始、结束剪切速率 采点模式及数目 采点方法 流动曲线 稳态判

13、断800-820-3812http:/45连续速率（Flow Ramp, 瞬态测试） 连续速率 设定参数 初始、结束剪切速率 采点模式及数目 瞬态应力 用途 粗估黏度（非稳态） 触变环800-820-3812http:/46触变环（Thixotropic Loop）800-820-3812http:/470.500000.10000.20000.30000.4000shear rate (1/s)500.00100.0200.0300.0400.0shear stress (Pa)TA InstrumentsFORDB3.04F-Up stepFORDB3.04F-Down stepFORDB

14、3.05F-Up stepFORDB3.05F-Down step连续变温（Temperature Ramp ) 连续变温 设定参数 初始、结束温度 变温速率 剪切速率 黏温曲线 用途 黏度对温度依赖性800-820-3812http:/48振荡测试（Oscillation）旋转流变测试模式800-820-3812http:/49振荡测试（Oscillation）800-820-3812http:/50振幅（Amplitude）800-820-3812http:/51频率（Frequency） 频率（Frequency） 1秒钟振荡的次数（振荡周期的倒数） 符号： or f单位：rad/s o

15、r Hz 1 Hz = 1 cycles/second = 6.28 rad/s800-820-3812http:/52相位差（Phase Angle）纯弹性响应黏弹性响应纯黏性响应 = 0800-820-3812http:/53振荡数据处理800-820-3812http:/54振荡数据处理 总响应 = 弹性响应 + 黏性响应800-820-3812http:/55振荡数据处理800-820-3812http:/56TENNISBALLSTORAGE (G)LOSS (G”)SUPER BALLSTORAGE (G)LOSS (G”)储能模量和损耗模量800-820-3812http:/57

16、振荡测试及数据处理 在动态振荡测试中，周期性变化的应变和应力被数值化为离散的一对数组 实时应变和应力的时域谱可通过离散Fourier变换转变为其频域谱 ，即 12,nNt 13,nNt 211inkNNS ks n eNStrain & StresstimeStrainStress800-820-3812http:/58SAOS振荡测量数据处理 当振幅较小时，振荡响应为线性响应（即应变和应力波形均为正弦函数），只有基频（k=1）对响应有贡献，则有112cosNnnnNN112sinNnnnNN112cosNnnnNN112sinNnnnNN22*arctan22*arctan800-8

17、20-3812http:/59SAOS振荡测量数据处理*G800-820-3812http:/60实时应变、应力波形监控60.080.0100.0120.0140.0160.0180.0200.0temperature (C1000100001.000E51.000E61.000E7G (P a )1000100001.000E51.000E61.000E7G (P a )1000100001.000E51.000E6|n *| (P a .s)SY4D-0000o800-820-3812http:/61振幅扫描（Oscillation Amplitude） 振幅扫描 设定参数 温度、频率 应

18、变范围 采点模式及数目 模量对振幅 用途 线性黏弹区探测 分散度评估800-820-3812http:/62线性黏弹响应024681001020304050PIB 2490 T= 28.1 oC 100% strainfundamental 1 rad/sMagnitudeFrequency rad/s = 0 sin(t) = 0 sin(t+)-100-50050100Strain (%)time-80-60-40-20020406080PIB 2490 T = 28.1 oC = 1 rad/s = 100 %Stress (Pa)-100-50050100-80-60-40-20020

19、406080PIB 2490 T = 28.1 oC = 1 rad/s = 100 %Stress Pa)Strain Lissajous figure800-820-3812http:/63非线性黏弹响应-3000-2000-10000100020003000Strain (%)time-600-400-2000200400600PIB 2490 T = 28.1 oC = 1 rad/s = 3000 % Stress (Pa)0246810050100150200250300350400Stress3rd harmonic 5th harmonic 7th harmonicPIB 24

20、90 T= 28.1 oC 3000% strainfundamental 1 rad/sMagnitideFrequency rad/s = 0 sin(t) = f(, t)-3000-2000-10000100020003000-600-400-2000200400600PIB 2490 T = 28.1 oC = 1 rad/s = 3000 %Stress Pa)Strain Lissajous figure800-820-3812http:/64NIST standard PIB2490707580-80-60-40-20020406080PIB 2490 T= 28.1 oC =

21、1 rad/s=100%( t )StrainTime linearNon-linear707580-600-400-2000200400600PIB 2490 T= 28.1 oC =1 rad/s=3000%( t )StrainTime The transition from linear to nonlinear regime for viscoelastic materials shows in a decrease of G & G” and an increase of the magnitude of the harmonics线性黏弹区800-820-3812http

22、:/65振荡时间（Oscillation Time ) 振荡时间 设定参数 温度、频率 线性黏弹区振幅 持续时间 采点模式及数目 模量对时间 用途 热稳定评估 动力学过程示踪 破坏结构重建 疲劳性能评价800-820-3812http:/66频率扫描（Frequency Sweep） 频率扫描 设定参数 温度 线性黏弹区振幅 频率范围 采点模式及数目 模量对频率 用途 结构探测 低频对应于长时间尺度，对分子结构敏感 松弛时间谱800-820-3812http:/67连续变温（Temperature Ramp） 振荡连续变温 设定参数 频率 线性黏弹区振幅 温度范围及变温速率 采点数目 模量对温度 用途 转变温度探测 反应温度、凝胶化温度800-820-3812http:/68ABS Temperature Ramp-150.0-100.0-50.0050.0100.0150.0200.0250.0temperature (C)1.000E51.000E61.000E71.000E81.000E91.000E10G (Pa)1.000E51.000E61.000E71.000E8