旋转流变仪：探究从低黏度流体到高强度固体的流动和变形特性

旋转流变仪是当今较为通用的流变测定工具，可针对多种不同的流变测量方法进行配置，以探测悬浮体的构造和性能。从生成材料在数十种扭矩下的简单黏性流动曲线（黏度与剪切力曲线图）到测量屈服应力，再到用于模拟食物咀嚼过程的序列，旋转流变仪可用于多种测试类型。

旋转流变仪在两个测量板或其他相似的几何形状板（如锥板或杯和转子系统）之间加载样品。当在上平板施加一个扭矩时，就会在材料上产生一个旋转剪切应力，并测得所形成的应变或应变速率（切变速率）。

旋转流变仪与黏度计的工作原理相同，但前者的功能要强大得多。其中为显著的就是前者在施加剪切应力时精度更高、范围更广；前者拥有振荡测试功能，以及在旋转试验过程中，对所施加的向力的控制度更高。

旋转流变仪可用于测量从膏状物、凝胶到构造弱的液体在内的多种样品类型。即使在剪切应力极低的区域，仍能够控制所施加的剪切力，因此这些仪器适合执行稳定性研究以及测量屈服应力。不过，旋转流变仪针对数十种扭矩下的使用情形进行了优化，而未针对区分低黏度弱构造流体的黏度进行优化。

此外，当切变速率超过 1000s^-1 时，旋转流变仪会在高剪切区面临机械约束。借助这些先进复杂的仪器，可以确保测试方法与产品的特定加工流程或使用环境密切匹配。内置的创新软件非常有用，即使刚入门的流变学家也能够生成并解读数据。

在一定的时间或温度程序下，沿一定方向、或按一定振荡频率，在可控的剪切速率/应力/应变振幅下，进行旋转剪切测量，获取黏度、模量/柔量、损耗角等参数，及其随剪切速率/剪切应力/频率/振幅/时间/温度的变化。

平行板夹具多用于振荡黏弹性测试与屈服应力测试，也可用于单向旋转的黏度测试，特别是使用大间隙，测量高黏度或粒径较大的悬浮体系，或使用小间隙以获取非常高的剪切速率。

优点：

• 平板夹具间隙灵活可调，适应不同样品情况；

• 两面平行，可测量凝胶或软固体；

• 加料简单；

• 容易清洗。

缺点：

• 剪切速率存在径向分布。在边缘最大，在中心点等于零；

• 对于非牛顿流体，所得黏度结果为—定剪切速率范围内的平均值；

• 大间隙下易有湍流，且溶剂易在边缘挥发；

• 有径向依赖性。

锥板夹具适用于黏度居中的液体，多用于液体或小粒径悬浮液的流动曲线与触变性测试，间隙需比颗粒平均粒径高一个数量级以上，也用于振荡测试。

优点：

• 剪切速率恒定，无径向分布，流动场一致；

• 可在可控剪切速率下获取绝对黏度结果；

• 温度梯度小；

• 容易清洗。

缺点：

• 间隙与锥角直接相关，固定不可调；

• 顶点处的小间隙（35-150μm，取决于锥角），在测量大颗粒体系时受到限制；

• 大速率下易有边缘甩出；

• 不能用于测量两面平行的凝胶或软固体。

同轴圆筒夹具可以用于大颗粒悬浮体系的测试、低黏度液体的流动曲线测试、易挥发体系的测试。

优点：

• 间隙较宽，适合大颗粒悬浮体系；

• 更大的剪切表面积，测量稀薄液体时更灵敏；

• 减少了液体的挥发；

• 高速剪切下不飞溅。

缺点：

• 间隙固定不可调；

• 样品量大，热平衡时间长，不太适合温度扫描；

• 转子惯性大，不太适合低黏度液体的振荡测试；

• 清除样品较困难。

旋转流变仪依靠旋转运动来产生简单剪切，可以快速确定材料的黏性、弹性等各方面的流变性能。测量时样品一般是在一对相对运动的夹具中进行简单剪切流动。

旋转流变仪的特点为：

1、转矩范围宽，可测量的剪切速率范围为10^-6~10³s^-1；

2、由微处理器控制的集成电子元件，避免使用外部控制电缆，从而减少工作台空间并且最大程度提高灵敏度；

3、自动间隙归零和调节，可重复进行精确间隙设置；

4、多种温度控制器选项，允许测量各种不同的样品，包括食品、涂料、医药品、添加剂和沥青等；

5、包括旋转和振荡模式，作为测量黏弹性材料的标准；

6、灵活易用的软件，允许对复杂测试程序和自动化分析进行快速编程。

旋转流变仪可测表观黏度、屈服应力、剪切变稀、触变性等。

聚合物分子量对其黏度有很大影响，而分子量分布和支化度则影响黏度对剪切速率的依赖性。这些差距不太可能通过熔融指数仪或毛细管流变仪得到。

旋转流变仪通过测量零剪切黏度得到分子量。Cox-Merz 规则和 TTS 可以扩展得到实际无法直接测量的高剪切数据。

振荡测试是测量材料黏弹性能最常用的测试方法。材料的黏弹特征可通过施加一个正弦应变（或应力）刺激并量测响应的正弦应力（或应变）以及两个正弦函数的相位差（刺激和响应）获得。

若相位差为 0，则意味着材料为纯弹性（应力和应变同相位）；而相位差为90°则意味着纯黏性。黏弹材料的相位差依赖于形变速率介于两种理想情况之间。黏弹参数可以对形变振幅、频率、时间和温度变化进行测量。

旋转流变仪可测量均聚物的黏弹指纹。在频率扫描中，温度和应变恒定，考察的是黏弹性能对频率的关系。

旋转流变仪可用于确定材料的线性黏弹区。

通过测量黏弹性能对温度关系探测 α 转变/玻璃化转变温度（Tg）非常敏锐有效，除此之外，还可以探测 β 甚至是 γ 等次级转变。

在连续变温测试中通常应用线性变温速率，典型的变温速率为 1-5℃/min，使用一个或多个频率，施加线性黏弹区振幅，采点时间间隔可以自行设定。转变温度可以通过储能模量 G’ 的起始转变点或者损耗模量 G”、损耗正切 tanδ 的峰确定。

在阶梯变温测试中，温度按阶梯改变。在每一个恒温段需要等待或平衡一段时间以保证样品内部温度均匀。施加的振幅需控制在线性黏弹区，应用的频率可以是一个或多个，该测试模式常被用来做时温叠加实验，获得的黏弹数据还可以进一步使用 TRIOS 计算模块得到分子量分布信息。

旋转流变仪可测定材料黏弹性随时间变化。振荡时间扫描是温度、应变和频率恒定不变，考察黏弹性能随时间变化。振荡时间扫描的重要性在于可以跟踪材料结构对时间变化的动力学过程，可用于考察固化过程、疲劳测试、结构重建等其他与时间相关的过程。

旋转流变仪可测定应力松弛和蠕变回复。

具有瞬态结构的材料如正在固化的热固性树脂或极容易氧化降解的聚合物等要求在尽可能短的时间内完成测试，因为它们很容易变化。对于这些材料，多波模式是很方便的测试方法。

在多波模式中，多个频率波可以叠加在一起同时施加到样品上，总应变是各个频率应变的和；由于频率不同，相互之间不存在干涉现象，总应变实际上相当于各个频率应变的 Boltzmann 叠加，只要保证施加的总应变在线性黏弹区，那么测试结果和各个频率独立施加相同。该测试模式同时得到的多个频率测试结果可以和标准频率扫描直接比对。

旋转流变仪是材料领域应用最广泛的流变测量仪器，可以研究从低黏度流体到高强度固体样品的流动和变形特性。它采用对样品施加强制稳态速率载荷、稳态应力载荷、动态正弦周期应变载荷或动态正弦周期应力载荷的方式，观测样品对所施加载荷的响应数据；通过测量剪切速率、剪切应力、振荡频率、应力应变振幅等流变数据，计算样品的黏度、储能模量、损耗模量、tanδ 等流变学参数。

常用于测定聚合物熔体、聚合物溶液、悬浮液、乳液、涂料、油墨和食品等材料的流变性质的仪器有旋转流变仪、毛细管流变仪、转矩流变仪和界面流变仪。

鲁汶大学 J.-F. Gohy 通过旋转剪切流变仪评估了 POEG₉MA 均聚物和 PS-b-POEG₉MA-嵌段共聚物的机械性能。

纯 POEG₉MA 的线性黏弹性响应的频率依赖性表明，该材料表现为自由流动的牛顿流体。掺杂盐的存在基本上抑制了链的运动，从而抑制了材料的最终弛豫。后者仍然表现为未纠缠的流体，由于内部摩擦，通过流体动力学和熵效应具有黏弹性响应。

反过来，PS-b-POEG₉MA 系统在高剪切频率下也呈现出 POEG₉MA 链的特征性短距离弛豫，表现为热塑性弹性体，在 Li⁺ 掺杂时具有相对较低的机械性能变化。 

巴西圣保罗大学 Rafael G. Pileggi 团队利用旋转流变仪表征浆状体的整体流变行为。

结果显示，屈服应力和塑性黏度都随着挤压速度而降低，并且 5min 和 35min 的曲线实际上彼此平行。在 750μm/s 下（τ_{0_750}和μ_{_750}）获得了相对屈服应力（τ_{0_v}/τ_{0_750}）和相对塑性黏度（μ_{_v}/μ_{_750}）的值。

结果表明，低速加载的样品的屈服应力值比 750μm/s 加载的浆料的屈服应力值高出 30%–50%。塑性黏度的相应值在 40–65% 的范围内。

这些结果表明，如果在浆状物加载过程中施加缓慢的挤压速度，这两个流变参数都可能被显著高估，因为测量值实际上是具有比原始组合物更低的 w/c 比的浆状物。 

聊城大学韩军团队通过流变学实验，研究了弹性模量和黏性模量随剪切速率、应变、频率、温度、交替振荡和剪切应力的变化。所得数据表明，该复合水凝胶具有许多理想的可调性能。

因此，通过优化组合物设计，可以获得具有良好的弹性性能、剪切细化行为、自恢复能力和蠕变性能不同的首选样品。 

长沙理工大学刘朝辉教授团队在旋转模式下进行了温度扫描测试，剪切频率为 10rad/s，测试温度范围为 50-170℃。

四种沥青材料的黏度-温度测试结果显示，所有沥青样品的黏度都随着温度的升高而降低。但 AR 和 SBS 改性沥青的黏度普遍高于基质沥青，这意味着胶粉和 SBS 聚合物可以提高沥青的黏度。

沥青样品在 60、135 和 160℃ 下的黏度列于表中，以表示沥青路面在夏季的热稳定性和评估沥青材料的施工性能。在 60℃时，AR 的黏度比基质沥青的黏度高出许多倍，这意味着 AR 具有更好的高温性能和更好的黏合能力。SBS 聚合物改性沥青在 60℃ 时的黏度也很高。但 AR 在 135℃ 时的黏度大于 3Pa·s，这可能导致施工困难。

相比之下，SBS 聚合物改性沥青在 60℃ 时具有高黏度，在 135℃ 时具有低黏度（1.41Pa·s），使其易于喷涂，是用于喷涂夹层的理想沥青材料。