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1、安东帕流变仪入门手册 0 MCR流变仪 入 门 手 册 安东帕流变仪入门手册 1 目 录 第一部分: 流变学基础知识 3 一. 流变学基本概念 . 3 1.1 流变学研究的内容 3 1.2 剪切应力与剪切速度 3 1.3 粘度 . 3 1.4 流体的分类 4 1.5 影响材料流变学性质的因素 . 5 二. 流动特性的研究 - 旋转测量 7 2.1 旋转测量的目的 7 2.2 旋转测量的方法 7 2.3旋转测量中的几种分析模型 . 8 三. 变形特性的研究 振荡测量 . 10 3.1 振荡测量的原理 10 3.2 振荡测量的方法 11 3.3振荡测量中的几种分析方法 . 13 四. 化学反应过程

2、中的流变测试 14 五. 温度变化过程中的流变测试 15 5.1 粘温曲线测量 16 5.2 凝固、熔融过程 16 5.3 有化学反应的相转变过程 17 5.4 DMTA测量 . 17 六. 流变测量指南 . 18 6.1测试系统的选择 18 6.2旋转测试 . 18 6.3振荡实验 . 20 第二部分: 流变仪基础知识 22 一. 流变仪的工作原理 22 1.1 旋转流变仪的种类： 22 1.2 MCR旋转流变仪基本结构： . 22 二. 流变仪常用夹具 24 2.1 旋转流变仪使用的测试夹具分类： 24 2.2常用标准测试夹具 . 24 2.3 测试夹具的选择 26 三. 流变仪常用控温系

3、统 . 26 安东帕流变仪入门手册 2 3.1. 温度范围在-40200内的 Peltier控温系统 27 3.2温度范围在-130400内的电加热控温系统 . 28 3.3 强制对流辐射控温系统 29 四. 流变仪安装的条件要求 . 30 4.1 环境要求 . 30 4.2电源 30 4.3 安装空间的布置： . 30 4.4. 气源 （空气轴承流变仪） 31 五. 流变仪可以扩展的功能模块 组合流变测量技术简介 32 5.1 通过改变样品的受力方式、运动方式而拓展的附加测试功能 32 5.2 把流变测试与结构分析方法相结合的附件 . 32 5.3 在温度、剪切条件的基础上再增加其他影响因素

4、的测试附件 33 第三部分：服务与应用 34 一. 安东帕流变仪的售后服务方式 34 1.1 售后服务方式与联系方式 34 1.2 应用支持方式与联系方式 34 二. 流变仪的日常维护保养 . 34 2.1 附属设备 . 34 2.2 流变仪主机 . 35 安东帕流变仪入门手册 3 第一部分: 流变学基础知识 一. 流变学基本概念 1.1 流变学研究的内容 流变学Rheology，来源于希腊的 Rheos=Sream（流动）词语，是 Bingham 和 Crawford 为了表示液体的流动和固体的变形现象而提出来的概念。流变学主要是研究物质的流 动和变形的一门科学。 流动是液体和气体的主要性质

5、之一，流动的难易程度与流体本身的粘性（viscosity）有 关，因此流动也可视为一种非可逆性变形过程。变形是固体的主要性质之一，对某一物体外加 压力时，其内部各部分的形状和体积发生变化，即所谓的变形。对固体施加外力，固体内部存 在一种与外力相对抗的内力使固体保持原状。此时在单位面积上存在的内力称为内应力 （stress）。对于外部应力而产生的固体的变形，当去除其应力时恢复原状的性质称为弹性 （elasticity）。把这种可逆性变形称为弹性变形（elastic deformation）,而非可逆性变形称为塑 形变形（plastic deformation）。 实际上，多数物质对外力表现为弹性

6、和粘性双重特性，我们称之为粘弹性，具有这种特性 的物质我们称之为粘弹性物质。 1.2 剪切应力与剪切速度 观察河道中流水，水流方向一致，但水流速度不同，中心处的水流最快，越靠近河岸的水 流越慢。因此在流速不太快时可以将流动着的液体视为由若干互相平行移动的液层所组成的， 液层之间没有物质交换，这种流动方式叫层流，如图 1。由于各层的速度不同，便形成速度梯 度 dv/dh，或称剪切速率。流动较慢的液层阻滞着流动较快液层的运动，使各液层间产生相对 运动的外力叫剪切力，在单位液层面积（A）上所需施加的这种力称为剪切应力，简称剪切力 （Shear Stress），单位为 Nm -2 ，即 Pa，以 表示

7、。剪切速度（Shear Rate），单位为 s -1 ， 以表示。剪切速率与剪切应力是表征体系流变性质的两个基本参数。 1.3 粘度 粘度是反应物质流动时内摩擦大小的物理量；根据测量方法的不同，粘度通常有多种表 示方法，比如我们最常用的动力学粘度和运动粘度，以及一些特定的粘度测定方法，如流杯、 稠度计、恩氏粘度等等。 图1 流体流动时形成的速度梯度 安东帕流变仪入门手册 4 1.4 流体的分类 根据流动和变形形式不同，将流体物质分为牛顿流体和非牛顿流体。牛顿流体遵循牛顿流 动法则，非牛顿流体不遵循该法则。 1.4.1. 牛顿流体 实验证明，纯液体和多数低分子溶液在层流条件下的剪切应力 与剪切速

8、率成正比，下式 为牛顿粘性定律（Newtonian equation），遵循该法则的液体为牛顿流体（Newtonian fluid）。 / FA 或 (1) 式中，F：A 面积上施加的力；：粘度（viscosity）或粘度系数（viscosity coefficient），是表 示流体粘性的物理常数。SI 单位中粘度用 Pas 表示；常用单位还有 mPas、P（泊）、cP（厘 泊），其中 1P=0.1Pas，1cP=1mPas。 根据公式可知牛顿液体的剪切速率与剪切应力 之间关系，如图 2 所示，呈直线关系，且 直线经过原点。这时直线的斜率表示粘度，粘度与剪切速度无关，而且是可逆过程，只要温度

9、 一定，粘度就一定。 表 1 20条件下几种牛顿流体的绝对粘度 液 体 粘 度/mPas 蓖麻油 1000 氯 仿 0.563 乙 醇 1.19 甘 油 400 橄榄油 100 水 1.0050 1.4.2 非牛顿流动 实际上大多数液体不符合牛顿定律，如高分子溶液、胶体溶液、乳剂、混悬剂、软膏以及 固-液的不均匀体系的流动均不遵循牛顿定律，因此称之为非牛顿流体（non-Newtonian fluid），此种物质的流动现象称为非牛顿流动（non-Newtonian flow）。对于非牛顿流体可以 用旋转粘度计测定其粘度，对其剪切应力 随剪切速率的变化作图可得，如图 3 和图 4 中所示 的流动曲

10、线（flow curve）或粘度曲线(viscosity curve)。根据非牛顿流体流动曲线的类型把非 牛顿流动分为塑性流动、假塑性流动和胀性流动三种。 1.4.2.1 塑性流动 图 2 牛顿流体的流动曲线和粘度曲线 安东帕流变仪入门手册 5 塑性流动（plastic flow）的流动曲线如图 14-7（b）所示，曲线不经过原点，在剪切应力 轴上的某处有交点，将曲线外延至=0，在 轴上某一点可以屈服值（yield value）。当剪切应 力达不到屈服值以上时，液体在剪切应力作用下不发生流动，而表现为弹性变形。当剪切应力 增加至屈服值时，液体开始流动，剪切速率和剪切应力 呈直线关系。液体的这种

11、变形称为塑 性流动。引起液体流动的最低剪切应力为屈服值 0 。 1.4.2.2 假塑性流动（假塑性流体） 假塑性流动（Pseudoplastic flow）的流动曲线和粘度曲线如图 4中的 2号样品所示。随着 剪切速率值的增大而粘度下降的流动称为假塑性流动，具有这种性质的流体称为假塑性流体或 剪切稀化（shear thinning）型流体。 绝大多数粘弹性流体都属于假塑性流体，如聚合物溶液、聚合物熔体、油漆、涂料等等， 当原油在凝点以下，以及稠油都会表现出一定的假塑性。 1.4.2.3 胀性流动（胀塑性流体） 胀性流动曲线如图 4 中的 3 号样品所示，曲线经过原点，且随着剪切应力的增大其粘性

12、也 随之增大，虽然这种流体不如假塑性流体常见，然而胀塑性流体常可由存在有不会聚集固体的 流体中看到，如泥浆、糖果合成物、玉米淀粉类与水的混合物以及沙/水混合物。此类流体的行 为也可称为剪切增稠（shear thickening）。 1.5 影响材料流变学性质的因素 粘度的数据通常具有“透视（window through）”的功能，材料的其余性质可以经由粘度获 得。由于粘度比其它性质更容易测量，因此粘度可以作为判别材料特性的工具。在这章的前半图 3 具有屈服应力流体的流动曲线图 4 牛顿流体(1)、假塑性流体(2)、胀塑性流体(3)的流动曲线和粘度曲线 安东帕流变仪入门手册 6 段，我们讨论了不

13、同型式的流变行为及判断它们的方法，由材料流变性质的判定，你可能会想 了解这些信息暗示了材料的哪些特性。 1.5.1温度 温度可能影响材料流变性能的首要因素。一些材料对于温度非常敏感，会造成粘度发生很 大的变化；另外一些材料则对温度具有较小的敏感性，粘度受温度的影响较小。温度效应对粘 度的影响在材料使用及生产中是必须考虑的基本问题，此类材料如机油、油脂和热融性粘合剂 等。 1.5.2 剪切速率 对于非牛顿流体，剪切速率是影响样品性能的最重要因素之一。例如若将剪切增稠性流体 输入泵送系统中，如果设计的技术性能不合适，那么就可能会造成系统的异常终止，甚至会损 坏设备。虽然这是一个极端的例子，然而剪切

14、速率对于生产系统的影响是不可忽视的。 当材料必须在不同的剪速下使用时，先了解操作剪速下的粘度行为是基本的，如果你不了 解这些行为，至少需先做估计，粘度应该要在预估的剪切速率值与实际值相近下测量才有意 义。 测量粘度时，若剪切速率的范围在粘度计测量范围以外时，就必须测量不同剪切速率下的 粘度值，再以外推方式得到操作剪速下的粘度值。这虽然不是最精准的方法，但确是获得粘度 信息的唯一替代方法，特别是当欲实现的剪切速率特别高时。事实上，在多个不同剪切速率下 进行粘度的测量，以观察使用上的流变行为才是适当的。如果不知道样品剪速值或剪速不重要 时，以转速作图也是可以的。 材料在生产或使用上会受到剪速影响的

15、例子有：油漆、化妆品、乳液、涂布、一些食品和 血液等，下表为流体在不同剪速范围下的典型例子： 状况 典型的剪速范围（s -1 ） 应用 悬浮溶液中沉淀的微细粒子 10 -6 -10 -4 药品，油漆 表面张力造成的液面流平现象 10 -2 -10 -1 油漆，印刷墨水 重力影响下的流挂现象 10 -1 -10 1 油漆，涂布，厕所的漂白剂 挤出机 10 0 -10 2 高分子加工 咀嚼和吞咽 10 1 -10 2 食物口感 浸入式涂布 10 1 -10 2 油漆，糖果制造 混合和搅拌 10 1 -10 3 流体产品的生产 管路输送 10 0 -10 3 打气，血液流动 喷雾和刷涂 10 3 -

16、10 4 喷雾干燥，油漆，燃料雾化 摩擦 10 4 -10 5 乳脂的应用及化妆水在皮肤上的行为 在流体中研磨染料 10 3 -10 5油漆，印刷墨水 高速涂布 10 5 -10 6 造纸 润滑 10 3 -10 7 石油工业 1.5.3时间 在剪切的环境下，时间明显地影响材料的触变性质和流变性质，但是就算样品不受剪力影 响，其粘度仍会随着时间而改变，因此在选择与准备样品作粘度测量时，时间的效应是必须考 虑的，此外，当样品在测试过程中产生化学反应时，材料的粘度也会有所变化，因此在反应过安东帕流变仪入门手册 7 程中某一时间所测的粘度与另一时间所做的结果会有所不同。 1.5.4压力 压力影响并不

17、如其它因素般常见，但压力的变化可能会造成：分解气体产生气泡、扩散或 气体的进入造成体积的改变和紊流现象、压缩流体，增加分子内的阻力，亦即增加压力会增加 粘度。在高压下，液体会受到压力压缩的影响，此现象与气体相同，虽然程度上较小，如下述 例子：高浓度的泥浆（粒子体积约占 70-80%以上），其中不含有足够的液体，使液体不能完 全进入粒子间的空隙中，导致了三相系的形成（即固体、液体和气体）。由于气体的存在，混 合物可压缩，亦即压力越大，流动的阻力愈大。 1.5.5前处理 在测量样品粘度前，前处理可能会影响粘度测量的结果，特别是流体会受到热或时间的影 响，亦即样品保存状况和样品准备技术必须设计将影响

18、粘度效应的因素减至最低，特别是触变 性材料会受到准备工作的影响，如搅拌、混合、倾倒、或是其它可能使样品产生剪切的动作。 1.5.6组成和添加物 材料的组成是影响粘度的重要因素，当样品组成发生改变后，不管是组成物质的比率或其 它物质的添加，粘度的改变都是可能的。 二. 流动特性的研究 - 旋转测量 2.1 旋转测量的目的 旋转测试使用连续的旋转来施加应变或应力，以得到恒定的剪切速率，在剪切流达到稳定 时，测量由于流动形变产生的扭矩。因此，也称为稳态测量。 2.2 旋转测量的方法 旋转测试有两种方法，一种是控制剪切速率，即旋转速度（或剪切速率）为设定参数，扭 矩（或剪切应力）为测试参数；另一种方法

19、时控制剪切应力，即扭矩（或剪切应力）为设定参 数，旋转速度（或剪切速率）为测试参数。 2.2.2 控制速率模式的常用测试方法: （1）恒定剪切速率：测量样品在某一个或几个恒定剪切速率下的粘度、剪切应力，如 Shear rate=10 1/s，Time Profile = Fixed meas. pt. duration=5 s（固定时间）， 温度=25，测量点 =20个（可以任意多个）。 （2）线性变化的剪切速率：控制剪切速率在某一范围内，按照线性规律逐渐改变剪切速率，可 以有低到高，也可以由高到低，观察样品的粘度、剪切应力随剪切速率变化的规律；如：剪切 速率由 1 1/s升高到 100 1/

20、s，Profile = Ramp lin（线性规律变化），测量点为 20个。 （3）对数变化的剪切速率：控制剪切速率在某一范围内，按照对数规律逐渐改变剪切速率，可 以有低到高，也可以由高到低，观察样品的粘度、剪切应力随剪切速率变化的规律；如：剪切 速率由 1 1/s升高到 100 1/s，变化规律为 Profile = Ramp log或 Ramp log + |points/decade|。 2.2.3控制应力模式的常用测试方法： （1）恒定剪切应力：测量样品在某一个或几个恒定剪切应力下的粘度、剪切速率，如 Shear 安东帕流变仪入门手册 8 stress=1 Pa，取点时间为 10s（或

21、其他时间），每个应力下可以测量任意多个数据点。 （2）线性变化的剪切应力：控制剪切应力在某一范围内，按照线性规律逐渐改变剪切速率，可 以有低到高，也可以由高到低，观察样品的粘度、剪切速率随剪切应力变化的规律；如： 剪切 应力由 0.1 Pa升高到 100 Pa，Profile = Ramp lin（线性规律变化），测量点为 20个。 （3）对数变化的剪切应力：控制剪切应力在某一范围内，按照对数规律逐渐改变剪切速率，可 以有低到高，也可以由高到低，观察样品的粘度、剪切速率随剪切应力变化的规律；如：剪切 应力由 0.1 Pa升高到 100 Pa，变化规律为 Profile = Ramp log或

22、Ramp log + |points/decade| （对数规律+点数/数量级）。 2.3旋转测量中的几种分析模型 旋转测量后，可以用流变学模型（方程）对测量结果进行拟合，用于观察此样品的流变学 特性是否与此模型相吻合，并计算出能够表征此样品流变学特点的关键参数，常用的方程有如 下几种。 2.3.1 Ostwald（或 Power Law）模型 此模型适用于没有屈服应力的非牛顿流体，具体含义如下： p c 其中， 为剪切应力，c 为流动系数，p 为流动指数或幂律指数。P1，剪切增稠；P=1， 理想粘性流动；p1 2.3.2 Bingham模型 此模型适用于有一定屈服应力的流体，但在屈服应力以上

23、时呈现牛顿流体特性： BB 其中， 为剪切应力， B 为 Bingham 屈服应力， B 为 Bingham 流动系数， 为剪切速 率；这种流体称为塑性流体，其特点是当剪切应力小于 B 时，样品只发生弹性形变，当剪切应 力大于 B 时，其弹性结构被破坏，之后的流动遵循 Newton粘度定律。 安东帕流变仪入门手册 9 2.3.3 Herschel-Bulkley模型 此模型适用于有一定屈服应力的非牛顿流体，具体含义如下： p HB c 其中， HB 是符合 HB 模型的屈服应力，c 为流动系数（或称为 HB 粘度 HB ），p 为 HB 指数； p1 胀塑性（剪切增稠） P=1 Bingham

24、流体 2.2.4 Carreau/Yasuda模型 此模型适用于具有零剪切粘度的非牛顿流体的分析，可以计算出此样品的零剪切粘度： 1 1 1 0 ) ) ( 1 ( 1 ) ( p p p p 1 为 Yasuda 指数， 为松弛时间，p 为幂律指数，P1，剪切增稠；P=1，理想粘性流 体；p1，剪切变稀； 0 ：零剪切粘度； ：极限剪切粘度（由于 相对于 0 非常小，因此分 析时经常把 近似为零）。 安东帕流变仪入门手册 10 三. 变形特性的研究 振荡测量 3.1 振荡测量的原理 振荡测试仅供空气轴承的流变仪的用户参考，如 MCR101、MCR301、MCR102、 MCR302 以及更高

25、型号，MCR51、MCR52 等机械轴承流变仪在测量高粘度样品时，可以做相 对振荡测量！ 3.1.1 平行板模型 振荡测试也叫动态测试，主要是用来研究材料在交变外力或应变作用下的流变特性。 振荡测试原理同样基于平行板模型，见下图：下板静止不动，上板的面积是 A，在剪切应力 F 的作用下发生位移 s，样品的厚度 h（上下板间隙）不变，样品在两板之间受到以 s为振幅的往 复剪切。样品与两板之间的粘附良好，在测试中无壁滑移现象，同时样品在两板之间各处产生 的变形是相同的。 因此，可以定义以下变量： A F ， h s ， G振荡测试的平行板模型 3.1.2 工作原理及参数计算 施加信号： 反馈信号：

26、 上面曲线和方程即为控制应变模式下的施加变量信号方程和反馈响应信号方程，其中 为 角频率，t 为时间。一般情况下，流变仪首先给样品施加一个正弦波规律的应变（或应力），样 品会反馈一个正弦波规律的应力（或应变），两个正弦波之间会有一个相位差 ， 的大小介 于 0-90之间，对于理想流体 为 90，对于理想固体 为 0，具有粘弹性的实际样品， 在 0到 90之间。 应力振幅和应变振幅的比值为复数模量：G * = A / A ，再依据相位差 可以把复数模量分解 为储能模量 G和损耗模量 G”。 A t= S i nt A t= S i n t + |* | c o s GG “|* | s i n

27、GG 安东帕流变仪入门手册 11 G Pa：储能模量，弹性部分，形变能力中储存的部分 G” Pa：损耗模量，粘性部分，形变能力中损失的部分 另外一个重要参数：tan 1 = G”/G ，称为阻尼或损耗因子，表示粘性相对弹性部分的比 值，意义如下： Ta n 1, 即 G” G ：粘性占主要部分，为流体 Ta n = 1, 即 G” = G ：粘性和弹性相等，为溶胶-凝胶转变点 另外一个参数：复数粘度的绝对值等于复数模量与角频率的比值。 3.1.3 线性粘弹性与非线性粘弹性 当对样品施加的应变或应力在一定范围内时，样品的结构产生的是弹性形变，产生的形变 能够完全回复，结构没有受到破坏，其应变、应

28、力规律符合 3.1.2 中所描述的正弦波规律，此 时样品的响应为线性粘弹性响应，相对的应变或应力区间为线性粘弹区（LVE），线性粘弹区 内的测量为线性粘弹性测量或小振幅振荡测量（SAOS）；当施加的应变或应力超出一定的范 围，样品中产生了不可回复结构变化，那么此时样品响应的应力或应变信号就不会再保持正弦 波规律了，样品的结构受到一定程度的破坏，此区域就是非线性粘弹区，针对的测量叫非线性 粘弹性测量或大振幅振荡测量（LAOS）。 3.2 振荡测量的方法 3.2.1 振荡测试中的控制变量 振荡测量同样有两种控制模式，即应变控制模式（CSR）和应力控制模式（CSS），控 制变量和响应变量如下： 应变

29、控制模式（CSR） 应力控制模式（CSS） 施加变量方程 响应变量方程 从以上方程中，我们可以看出，其中的控制变量有三个，分别是应变、应力和频率，下面 就 CSR和 CSS两个模式下的测量做进一步说明。 G =P a s 非线性粘弹区 线性粘弹区 A t= S i nt A t= S i n t + A t= S i nt A t= S i n t + 安东帕流变仪入门手册 12 3.2.2 CSR模式下的参数设置 （1）恒定应变、恒定频率、恒定温度测试：此测试的用途一般是对随着时间变化，样品本身会 产生某些变化，如氧化、分解、聚合、凝胶等等，通过流变参数的变化，把样品的变化过程反 应出来，也

30、称等温时间扫描测试（Time Sweep）。实验结果一般是时间（x 轴）-模量 G、G” 曲线（y轴）、时间-Tan 曲线。如设 Amplitude Settings = Strain = const. = 5%，Frequency Settings = Frequency = Const = 1Hz。 （2）应变扫描（振幅扫描）测试（线性变化 Lin 或对数变化 Log）：以应变（振幅）为变量， 一般应变是由小到大阶梯式变化（常用 0.01% -100%），频率恒定（常用 1Hz 或 10rad/s）， 测量结果为应变与模量 G、G”的关系曲线，应变的变化规律推荐使用对数变化，如 Ampli

31、tude Settings = Strain = Ramp Log （或 Ramp log + |points/Decade|） = 0.01% - 100%， Frequency Settings = Frequency = const = 1Hz，Duration = No time setting（自动控制）； 应变扫描可以得到的常用样品信息如下： * 样品强度：即 G、G”的绝对值大小，以及二者的相对大小，代表了样品的状态（胶体还 是流体）、胶体强度（软硬）。 * 线性粘弹区的确定：通过分析 G平台区的范围，确定样品在此条件（指温度、频率等） 下的线性粘弹区范围，为后面的测量提供参考数

32、据。 * 流动点的测量：当线性区内 GG”时，在应变扫描的曲线上 G、G”通常会有一个交点， 此点即为流动点（Flow Point），在此点以上的应变或应力区域，样品产生流动。 * 通过以上信息的对比，可以用于样品稳定性、屈服应力、流动性等方面的比较。 （3）频率扫描测试（线性变化 Lin 或对数变化 Log）：以频率为变量，一般频率是由大到小阶 梯式变化（常用 100rad/s -0.1rad/s），应变恒定（在线性区内），测量结果为频率（x 轴）与 模量 G、G”（y轴）的关系曲线，频率的变化规律推荐使用对数变化，如 Amplitude Settings = Strain = const

33、= 1%，Frequency Settings = Frequency = Ramp Log （或 Ramp log + |points/Decade|）= 100rad/s 0.1rad/s，Duration = No time setting（自动控制）； 安东帕流变仪入门手册 13 频率扫描得到的是样品性质与时间尺度的关系，高频率代表的是样品在受到短时间尺度（正 弦波的振荡周期短）应变或应力时的响应状态；低频率代表的是样品在受到长时间尺度（正弦 波的振荡周期短）应变或应力时的响应状态。对于非交联的聚合物材料，通常会有高频时 GG”，即在很短的受力作用时间内，样品不会产生流动，表现为胶体（

34、固体）的状态；低频 时 GG”， 即在较长的受力作用时间内，样品会产生流动，表现为流体的状态。此测试常会用 于： * 聚合物加工时间的研究，与聚合物的加工速度有关，如挤出、注射等。 * 聚合物分子结构信息的研究，如松弛时间谱、分子量、分子量分布等。 3.2.3 CSS模式下的参数设置 （1）恒定应力、恒定频率测试：此测试的用途一般是对随着时间变化，样品本身会产生某些变 化，如氧化、分解、聚合、凝胶等等，通过流变参数的变化，把样品的变化过程反应出来，也 称等温时间扫描测试（Time Sweep）。实验结果一般是时间（x 轴）-模量 G、G”曲线（y 轴）、时间-Tan 曲线。如，Amplitud

35、e Settings = Shear stress = const. = 1Pa，Frequency Settings = Frequency = Const = 1Hz，Duration = Fixed Mea. Pt. duration（固定时间）=10s （或 1s的整数倍，根据所需要的时间而定）； （2）应力扫描测试（线性变化 Lin 或对数变化 Log）：以应力为变量，一般应变是由小到大阶 梯式变化（如 0.01Pa -100Pa），频率恒定（常用 1Hz 或 10rad/s），测量结果为应力与模量 G、G”的关系曲线，应变的变化规律推荐使用对数变化，如 Amplitude Sett

36、ings = Shear stress = Ramp lin（或 Ramp Log 或 Ramp log + |points/Decade|） = 0.01Pa 10Pa，Frequency Settings = Frequency = const = 1Hz，Duration = No time setting（自动控制）； （3）频率扫描测试（线性变化 Lin 或对数变化 Log）：以频率为变量，一般频率是由大到小阶 梯式变化（常用 100rad/s -0.1rad/s），应力恒定（在线性区内），测量结果为频率（x 轴）与 模量 G、G”（y轴）的关系曲线，频率的变化规律推荐使用对数变化。

37、 3.3振荡测量中的几种分析方法 3.3.1 线性粘弹区（LVE）的计算 通过对样品进行应变扫描来确定样品的线性粘弹区。可以用来确定线性粘弹区的变量有 G，G”，tan ，在大多数情况下用 G来确定材料的线性粘弹区，因为 G最敏感，当应变超过线安东帕流变仪入门手册 14 性粘弹区时，G首先出现变化。 线性粘弹区的定义为：在测试开始时，G和 G”是两个恒定的值，假设定义 G和开始测试 时的恒定值的偏差为 5%（一般在 3%-10%之间）时为线性粘弹区的终点，那么认为小于这个 偏差范围的点就在线性粘弹区内，大于这个偏差范围的值就在线性粘弹区范围之外，等于 5% 偏差范围的点为线性粘弹区的终点。如下

38、图所示， y 所对应的点即为线性粘弹区的终点。 3.3.2 流动点（Flow Point）的计算 通过对样品进行应变扫描可以确定样品的流动点（前提条件是 GG”）。在线性粘弹区范 围内，样品为凝胶状态；随着振幅逐渐增大，G、G”出现交点，随后 G”G，样品表现出流动 态。因此，G、G”的交点，即 G=G”的点，称为流动点。如上图所示， f 所对应的点即为流动 点。 3.3.3 Carreau/Yasuda模型计算零剪切粘度 对于非交联聚合物熔体或浓溶液，在频率扫描中，低频率区的复数粘度会出现一个平台 区，当频率（剪切速率）低于一定程度后，粘度趋于一个恒定值，这个值就是样品的零剪切粘 度，通过

39、Carreau/Yasuda模型可以计算此零剪切粘度的值。 ) ( lim 0 0 如图所示： 四. 化学反应过程中的流变测试 当需要用流变学研究某一化学反应过程时，常用时间扫描或温度扫描（下节详述）进行测 试，最常见的应用是热固性聚合物（如环氧树脂、聚酰亚胺等）的固化过程、凝胶反应过程、 UV固化反应过程、氧化分解过程等等。 常用方法： 安东帕流变仪入门手册 15 （1）稳态剪切测试：在恒定的剪切速率下，通过粘度或应力随时间的变化表现样品的变化 过程，此方法的限制在于无法测试到样品固化的状态，反应到一定程度，就要结束测试，可能 无法表现反应的整个过程，并且需要考虑剪切对样品的反应是否会产生影

40、响。 （2）动态振荡测试：在恒定的应变（应力）、频率条件下，通过模量 G、G”随时间的变 化描述样品的变化过程。此方法的优点正好弥补了剪切模式的缺点，即可以实现从反应初始到 反应结束的整个过程（从液体到固体），并且小角度振荡不会影响样品的反应过程。 如下图所示，是一个样品的时间扫描曲线。在测试开始的时候，G”G，样品表现为流体 特征，即溶胶状态；随着测试的进行，到达时间 t CR ，t CR 表示固化过程（凝胶过程）开始发生 的时间，从这一点开始，G、G”都随着时间的增加而迅速变大；当达到 t SG 点时，G=G”、 tan =1，这个点叫做溶胶凝胶转变点；过了 t SG 点，GG”，样品表现

41、出凝胶的状态；测试进行 到最后，G、G”都趋近于恒定的值，固化过程（凝胶过程）基本完成。 五. 温度变化过程中的流变测试 温度是影响材料流变学性能的首要因素，因此研究温度对材料性能的影响是非常重要的一 个研究目的。按照材料性能和研究目的的不同，大致有以下几种情况。 （1）在研究温度范围内没有相变和化学反应，只研究温度对样品机械性能、热力学性能的 影响； （2）在研究温度范围内只有物理相变，没有化学反应，如熔融、凝固、结晶等过程； （3）在研究温度范围内不仅有物理相变，也有化学反应发生，如固化、化学凝胶、氧化分 解等； 安东帕流变仪入门手册 16 5.1 粘温曲线测量 粘温曲线是工业生产、研发中

42、最常用的测试之一，是表现温度对样品流变学性能影响的最 简单方法。可以进行升温测试或降温测试，以温度 T为 X轴，粘度 为 Y轴。升降温速度一般 在 0.5 5/min，样品量比较多时，升降温速度就要慢一些，以降低样品温度的滞后程度。 5.2 凝固、熔融过程 当在测试过程中样品存在液、固相之间的转变时，首选振荡测量模式，不仅比旋转测更精 确，而且不会影响相转变过程。在测试过程中无化学反应发生，所以在反应过程中主要是软化 和熔融过程（升温过程），或者凝固和结晶（降温过程）。这主要是为了研究温度对于材料物 理结构的影响，或者其结构的改变，这类研究主要是在材料的线性粘弹区范围内进行的。 无定形聚合物（

43、如：PVC，PS，PC） 部分结晶聚合物（如：PE，PP，PTFE） 交联聚合物（如：NR，PUR，EP） 结晶的胶体（如：乳霜，蜡状物） 安东帕流变仪入门手册 17 5.3 有化学反应的相转变过程 与第 4 节中的类似，在测试过程中，样品随着温度的变化发生化学反应，导致样品发生相 态改变。 通过温度扫描曲线可以确定如下变量： 1：G或 G”最小值的温度，或者 tan 最大值的 温度，或者最小复合粘度出现的温度，如 T CR ，即开始发生化学反应的温度。 2：如果可能的话可以得到 G=G”的点，即溶胶 凝胶转变点的温度。 3：在固化结束之后 G，G”的数值，可以用来 评价最终的样品状态。 5.

44、4 DMTA测量 利用流变仪的特殊夹具，如固体扭摆夹具 SRF、多用拉伸夹具 UXF，可以对固体样品进 行 DMTA（Dynamic mechanical thermoanalysis）- 动态机械热分析测试，流变仪中可以进行 的 DMTA测试有两种： （1）强迫扭摆振荡测量：使用 SRF 夹具对矩形或圆柱形样品进行强迫扭摆测试，使用复合模 量 G*、储能模量 G、损耗模量 G”、损耗因子 tan 等参数进行表征。 （2）动态拉伸测量：使用 UXF 夹具对薄膜或纤维样品进行动态拉伸测试，可以得到复合杨氏 模量 E*、杨氏储能模量 E、杨氏损耗模量 E”、损耗因子 tan =E”/E等。 安东帕

45、流变仪入门手册 18 DMTA 测试主要用于测量固体的热机械性能，通过以上测试可以分析样品的玻璃化转变温 度 Tg、熔融温度 Tm、次级转变等。 六. 流变测量指南 当您有一个样品需要做流变学测试，而对这个样品的性能又不太了解，那么该从何着手 呢？ 为了帮助安东帕流变仪的初学者，本文给出一些建议：讨论了一些典型的实验设置方法、 流变学评价方法和分析曲线。这些内容适合于大多数材料的流变学测试和研究，但由于各行各 业所用的材料纷繁复杂，因此使用者必须在细节上做一些调整以获得更有实际价值的数据。 6.1测试系统的选择 a) 同心圆筒（CC）：用于粘度非常低或容易挥发变干的样品。 b) 平行板（PP）

46、：用于含有尺寸大于 5 m颗粒的样品、粘度很高的样品或粘弹性非常强的样 品（如聚合物熔体） c) 锥板（CP）：用于其它所有样品 6.2旋转测试 6.2.1流动和粘度曲线 首先，可以对样品做一个初步的检测，以初步确定样品属于哪种类型的流体，使用流动曲 线拟合和分析模型，确定流动曲线函数。剪切速率可以设为 = 1到 500S -1 。 共有下列几种流动曲线类型： （1）理想粘性流体（牛顿流体） （2）剪切变稀流体（假塑性流体） （3）剪切增稠流体 （4）没有屈服值的流体 （5）有屈服值的流体 6.2.2 有屈服值的样品，需进行屈服值的分析和测量，方法有： （1）直接应力扫描：设置条件：剪切应力扫

47、描（CSS，对数坐标）：当使用机械轴承的流变 仪时，扭矩设置范围：M=0.5 5mNm，当使用空气轴承的流变仪时，扭矩设置范围： M=0.5 Nm 5mNm。 安东帕流变仪入门手册 19 （2）模型拟合：利用流动曲线，采用 Bingham，Casson，Herschel/Bulkley等模型拟合，计 算屈服应力。 6.2.3时间依赖性（ 设置条件：恒定剪切速率（CSR），当使用机械轴承的流变仪时， =1S-1；当使用空气轴承的 流变仪时， =0.1S-1； 结果：时间依赖性粘度函数： （1） 粘度恒定不变； （2） 粘度降低，如由时间依赖性的剪切变稀、剪切生热等原因造成的； （3） 粘度增加，

48、如由硬化、凝胶、固化、干燥等原因造成的； 备注：对于时间依赖性的测试，应优先选择振荡测试，因为振荡测试可以获得更多有用的信息。 6.2.4 3ITT-结构破坏和恢复（触变性）测试 设置条件：使用机械轴承流变仪时，三个测量段的剪切速率分别设为： =1/100/1S-1；使 用空气轴承流变仪时，三个测量段的剪切速率分别设为： =0.1/100/0.1S-1 结果和分析方法： M1 “触变值”：时间点 t2和 t3之间的粘度变化（）； M2 “总触变时间”：从 t2到完全恢复（恢复到第一阶段参考值的 100%）所需时间； M3 “触变时间”：从 t2到部分恢复（恢复到第一阶段参考值的一定比例，如 75%等）所需时 间； M4：从 t2开始到第三阶段的某一时间点（如 60秒或用户定义的其它时间）时，粘度恢复的比 例； 6.2.5 温度依赖性 设置条件：温度程序（如按程序升温或降温），同时设置为恒定的剪切速率（CSR）： =1S-1（机械轴承流变仪）或 =0.1S-1（空气轴承流变仪）。