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聚合物流变学研究

聚合物是当今科技应用和日常生活中最重要的材料之一,这是因为聚合物的特性可适应各种方式,能够满足几乎每个领域的应用。除了蛋白质、淀粉、纤维素等天然聚合物,还有很多不同种类的合成聚合物,如尼龙、硅树脂、PVC、树脂玻璃等。有些聚合物硬且脆,有些坚韧且防震,而有些则柔软且具有弹性。因此,聚合物的生产和表征是众多行业和专业研究机构研究的重点。

聚合物的流变学特性

聚合物由具有许多重复亚单元(称为单体)的大分子构成。分子链的长度及其之间的缠结对于材料的特性至关重要。许多相关的聚合物特性可以通过流变测试进行表征。要描述这些特性,需要执行多种多样的测试程序,才能获得所需信息。

聚合物具有复杂的流变特性,在使用或生产此类材料时需要加以考虑,如熔体 黏度 、流动特性、 黏弹 性、温度依赖性、 玻璃化转变温度、老化行为等。可采用各种测试和分析方法优化聚合物特性,直至其满足所有要求。  

利用流变测试研究聚合物

流变测试有助于:

  • 对聚合物进行质量控制,如确定 黏度、 黏弹性 参数和摩尔质量
  • 改进聚合物的加工特性,例如注射成型、挤出、纤维纺纱等。
  • 优化成品(例如,用于汽车生产的塑料材料)

有机玻璃 (PMMA)

聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 也称为有机玻璃或众所周知的已有商标 Plexiglas™。其实,它是一种外观类似玻璃的替代品,重量轻且不易破碎。经过相应的修良后,有机玻璃可具有出众的防刮擦和耐冲击性。其纯净物极少作为成品出售;成品通常是配合不同量的共聚单体、添加剂和填充剂的众多改性配方中的一种。鉴于其组成,有机玻璃具有某些特定属性:它比普通玻璃的透光性好;它具有弹性且防震,温度高于 105 ℃ 时易于成型;此外,它还可以进行粘接和焊接。某些类型允许紫外光和 X-射线透射,但不能透射红外光,这使得它非常适合温室和 X-射线光刻。

丙烯酸玻璃还可以用在医疗、汽车、建筑和光学等行业的很多产品中,如指示器玻璃、眼镜玻璃、工业地板、轻型车罩、光纤、棱镜、家具等等。

有机玻璃流变测试

一种常用的有机玻璃流变测试是使用 振荡 流变仪进行扭摆模式的动态力学分析 (DMA)。在该试验中,有机玻璃实心棒样品被固定在两个夹具之间,并在规定的温度范围内以特定的幅度和频率使其变形。在低温 (-150 ℃) 下,聚合物表现出硬且脆的特性。当聚合物被加热到非常高的温度时,它开始融化,从固态、玻璃态在 玻璃化转变温度 下进入软化范围,最终达到液体熔融状态。在较宽温度范围内精确测量有机玻璃实心棒提供了许多有关大分子结构与力学特性间关系的信息。

该测试需要一个流变仪 ,并配备 用于固体样品扭摆夹具的对流加热系统

聚乙烯 (PE)

在其他应用中,聚乙烯 (PE) 以瓶子、袋子、薄膜等形态用作包装材料。根据密度和分子分支,其主要可分为几个不同的种类。例如,高密度聚乙烯 (HDPE)、低密度聚乙烯 (LDPE)、线性低密度聚乙烯 (LLDPE) 等。根据分支程度和类型、半结晶结构和摩尔质量的不同,聚乙烯可能表现出不同的机械特性。其中,LDPE 用于硬质容器,而 LLDPE 相比 LDPE 具有更高的抗张强度,因此用于包装,尤其是以片材薄膜、塑料袋和包装薄膜的形式。HDPE 具有较高的强度密度比,用于如牛奶壶、洗涤剂瓶、奶油桶、垃圾箱和水管等产品和包装材料。

聚乙烯流变测试

流变测量提供关于 PE 聚合物化学特性的信息。例如,PE 的摩尔质量可通过利用 频率扫描测量其 零剪切黏度 来确定。 频率扫描 是指在恒定的振幅和变化的频率下进行的 振荡测试 。在较低的 角频率下,可以确定样品的 零剪切黏度 值。 零剪切黏度 是聚合物熔体最重要的性质之一,这是因为其直接与平均摩尔质量成正比。使用 振荡 流变仪表征聚合物的一大优点是进行典型测量所使用的时间相对较短。 

该测试需要使用配备 帕尔贴温控系统流变仪 

聚丙烯 (PP)

聚丙烯 (PP) 是一种是一种具有韧性和柔性的聚合物,具有不同的用途,包括软包装、纺织品、聚合物纸币和工程材料。聚丙烯具有与聚乙烯相似的性能,但是聚丙烯具有较低的密度、较高的熔点 (TM>160°C) 和出色的耐化学性。由聚丙烯制成的产品可以采用多种方式制造,包括薄膜挤出(用于包装)、吹塑(用于更坚固的容器,例如瓶、桶、燃料箱)以及注塑成型(用于重型应用,例如安全帽、电气工具和电视机壳)。这种制造方式的多样性意味着可以使用各种添加剂(例如染料和颜料)和增强剂来改变聚合物的性能。例如,玻璃纤维增强聚丙烯材料在较高的温度下具有更好的拉伸强度。

聚丙烯流变测试

为了解聚丙烯(或玻璃纤维增强聚丙烯)在各种温度下对机械应力的反应,可采用动态力学分析 (DMA) 。该测试的主要目的是查看聚合物在什么时候开始软化(其 玻璃化转变温度 Tg),以及聚合物可以继续承受一定机械负载的最高温度。还有其他热分析方法也可用于执行这些测试(差示扫描量热法 DSC 或热机械分析 TMA),但是通过动态力学分析通常可以更准确地得到 Tg

在 DMA 扭转测试中,将聚合物的固体样品(例如具有矩形或圆形横截面)固定在两个夹具之间,然后使用 振荡 流变仪使聚合物在特定的正弦振幅和频率下变形。样品在规定的温度范围内受到拉力或压力,随后在升高的温度下测量聚合物对预设机械负载的响应。

该测试需要使用流变仪 并配备 线性马达和动态力学分析系统

聚苯乙烯 (PS)

由于生产成本相对低廉,聚苯乙烯是使用最广泛的塑料之一。它通常以泡沫形态用于保护性包装。它的刚性形态可用作建材、酸奶容器、CD/DVD 盒、瓶子等。聚苯乙烯具有相对较低的熔点(约 100 °C),并且是透明的。在工业应用领域,它通常是彩色的。  

聚苯乙烯流变测试

为了研究聚苯乙烯熔体的短期和长期特性,可使用 振荡 流变仪进行 频率扫描 。 频率扫描 是指在恒定的振幅和可变的频率下进行的 振荡测试 。置于测量单元内的聚合物样品可以是颗粒状、粉末状或预制片状。通过对 储能模量 和 损耗模量 曲线的交叉点进行分析,可获得聚合物样品平均摩尔质量的定性描述。采用进一步的分析方法,可以确定摩尔质量分布 (MMD)。相对于其他方法,例如采用 GPC 分析(凝胶渗透色谱法),本试验方法不需要任何溶剂,并且对 MMD 测定没有限制。 

该测试需要使用 流变仪 并配备 帕尔贴温控系统

聚氨酯 (PU)

聚氨酯 (PU) 是最常用于制造泡沫的聚合物。聚氨酯通过异氰酸酯和多元醇之间的两组分反应形成。当存在水时,反应产生的二氧化碳会在聚合物中留下气泡,从而形成泡沫。聚氨酯是一种用途广泛的聚合物,其应用范围包括泡沫密封、绝缘产品、氨纶等合成纤维,以及各种汽车产品,例如密封件和垫圈、悬架衬套、涂料和密封剂。 

聚氨酯之所以有如此多的用途,是因为用于制造聚氨酯的两组份非常多样化。长链和低交联度使聚合物柔软而有弹性,而带有许多交联键的短链则可产生硬质聚合物。通过仔细选择组分,并密切监测反应的流变特性,可以对最终产品进行精细设计。

聚氨酯流变测试

聚氨酯生产过程如下:混合两种液体组分(异氰酸酯和多元醇),并将混合物分配到模具中。然后进行固化反应, 黏度 不断增加直至反应完成,最后脱模即得到固体成品。在整个固化过程中,使用带有平行板测量系统的流变仪,可以分析样品的 黏度 和其他特性。例如,可以预设恒定的低振幅(例如 0.05%)进行振荡测试。可以测量重要的转变点,例如窗口期(样品可以继续注入模具)、溶胶-凝胶转变点(样品从液体变成凝胶状固体)以及固化时间,如下图所示。

该测试需要使用 流变仪 其配备 帕尔贴温控系统 和一次性平行板测量系统。