動態(tài)機械分析儀在高分子物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用實例

趙成吉

(吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院高分子科學(xué)系，吉林 長春 130012)

動態(tài)機械分析儀在高分子物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用實例

趙成吉

(吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院高分子科學(xué)系，吉林 長春 130012)

將動態(tài)機械分析儀應(yīng)用于高分子物理實驗教學(xué)中，有助于學(xué)生加深對高分子物理課堂所學(xué)粘彈性現(xiàn)象的理解。我們圍繞該儀器設(shè)計了多套研究性實驗項目，使學(xué)生充分了解動態(tài)力學(xué)分析原理和方法，學(xué)會使用該儀器測定高分子的粘彈性能，并從分子運動的角度來解釋高分子的動態(tài)力學(xué)行為。這些實驗項目的設(shè)置，對培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能和動手能力、綜合利用所學(xué)知識分析和解決問題能力和激發(fā)科研興趣等方面起到了積極作用。

動態(tài)機械分析儀；高分子物理實驗；粘彈性

高分子物理是研究高分子的結(jié)構(gòu)與性能及其關(guān)聯(lián)的一門學(xué)科，也是探索各種環(huán)境下高分子各運動單元運動規(guī)律的一門學(xué)科[1]。主要內(nèi)容包括：高分子的鏈結(jié)構(gòu)，凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)，聚合物的分子量及分子量分布，聚合物的分子運動和轉(zhuǎn)變，聚合物的機械強度，聚合物的高彈性與黏彈性，聚合物的流變性能，以及高分子溶液性質(zhì)等[2]。開設(shè)高分子物理實驗，一方面通過親身實踐讓學(xué)生加深對高分子結(jié)構(gòu)、性能及兩者相互關(guān)系的基本知識與高分子物理原理的理解，另一方面了解高分子結(jié)構(gòu)與性能的評價方法與原理，培養(yǎng)靈活運用高分子物理基礎(chǔ)知識分析實際問題的能力，為高分子科學(xué)的前沿知識學(xué)習(xí)和相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究打好基礎(chǔ)[3]。

高分子是一種典型的黏彈性材料，表現(xiàn)出突出的力學(xué)松弛現(xiàn)象。對其進行動態(tài)力學(xué)性能測定，可以得到高分子結(jié)構(gòu)與性能方面的多重信息，如高分子的松弛轉(zhuǎn)變過程及特征溫度、交聯(lián)固化程度、相結(jié)構(gòu)與相轉(zhuǎn)化、阻尼特性等[4-5]。因此動態(tài)力學(xué)分析儀(DMA)在高分子科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用。為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，開拓學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院國家級化學(xué)實驗教學(xué)中心購置了DMA Q800動態(tài)力學(xué)分析儀(美國TA公司)。DMA Q800采用非接觸式線性驅(qū)動馬達代替?zhèn)鹘y(tǒng)的步進馬達直接對樣品施加應(yīng)力。以空氣軸承取代傳統(tǒng)的機械軸承以減少軸承在運行過程中的摩擦力，并通過光學(xué)讀數(shù)器來控制軸承位移，精確度達1nm；配置多種先進夾具(如三點彎曲、單懸臂、雙懸臂、剪切、壓縮、拉伸等夾具)，可進行多樣的操作模式，如共振、應(yīng)力松弛、蠕變、固定頻率溫度掃描(頻率范圍為0.01～200 Hz，溫度范圍為-180～600℃)、同時多個頻率對溫度掃描、自動張量補償功能等，通過隨機專業(yè)軟件的分析可獲得高解析度的聚合物動態(tài)力學(xué)性能方面的數(shù)據(jù)。我們將其引入到高分子物理實驗教學(xué)中，并圍繞該儀器設(shè)計了多套研究性創(chuàng)新實驗項目，極大地調(diào)動了學(xué)生的積極性和興趣，取得了良好的教學(xué)效果。下面將介紹幾個我們所設(shè)計的研究性教學(xué)項目的實例。

1 聚甲基丙烯酸甲酯的動態(tài)力學(xué)溫度譜及轉(zhuǎn)變溫度測定

高分子具有多種運動單元，表現(xiàn)出多重運動模式。各種運動單元的熱運動對溫度和時間具有強烈的依賴性。因此，在寬廣的溫度或頻率范圍對高分子材料進行動態(tài)力學(xué)測定，可以得到該材料的動態(tài)力學(xué)溫度譜或頻率譜。通過譜圖中儲能模量( E′)、損耗模量(E″)和力學(xué)損耗(tanδ)隨溫度或頻率的變化，研究高分子的分子松弛與轉(zhuǎn)變過程，測定其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等轉(zhuǎn)變溫度。在玻璃化轉(zhuǎn)變時，高分子的力學(xué)性質(zhì)變化相當(dāng)顯著。在幾度的轉(zhuǎn)變溫度區(qū)前后，E′將會迅速下降3到4個數(shù)量級，鏈段運動被激發(fā)，引起很大的能量損耗，從而使E″和tanδ出現(xiàn)極大值。從模量的下降和損耗峰出現(xiàn)極大值可以判斷高分子的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。在教學(xué)實踐中，我們以聚碳酸酯長方形樣條作為實驗樣品。試樣尺寸要求：長a=35～40mm；寬b≤15mm；厚b≤5mm。要求學(xué)生準(zhǔn)確測量樣品的寬度、長度和厚度，各取平均值記錄數(shù)據(jù)。采用雙懸臂夾具進行測試。測試溫度為常溫至180℃，維持頻率恒定為1 Hz。要求學(xué)生了解聚合物動態(tài)力學(xué)分析原理和方法，學(xué)會使用DMA測定聚合物的動態(tài)力學(xué)溫度譜，并從分子運動的角度來解釋高分子的動態(tài)力學(xué)行為，記錄高分子的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。并請學(xué)生思考如果改變測試的頻率和升溫速率，測得的高分子的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度將如何變化？

2 環(huán)氧樹脂阻尼材料的動態(tài)力學(xué)頻率譜及阻尼性能分析

高分子材料是一種典型的粘彈性材料，在交變應(yīng)力的作用下，由于鏈段運動受到內(nèi)摩擦阻力的影響，使得運動跟不上外力的變化，造成高分子材料的滯后現(xiàn)象。由于應(yīng)變變化跟不上應(yīng)力變化，在循環(huán)變化過程中，一部分的能量以熱量的形式耗散掉了，產(chǎn)生力學(xué)損耗或內(nèi)耗。將機械振動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏纳⒌牟牧希Q之為阻尼材料，廣泛應(yīng)用于電路板等電子產(chǎn)品的減震和降低機械的噪音污染等領(lǐng)域。我們高分子物理實驗教學(xué)團隊中，有一位教師的研究方向是聚氨酯微膠囊的制備及其環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的阻尼性能的研究。將教師的科研內(nèi)容轉(zhuǎn)化為教學(xué)實驗內(nèi)容是我們實驗教學(xué)改革中的重要環(huán)節(jié)。在實驗教學(xué)中，將科研中的測試樣品用于實驗教學(xué)中，在完成對學(xué)生基本實驗技能的培養(yǎng)外，通過引導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)背景文獻，了解前沿科研領(lǐng)域；通過組織學(xué)生討論和分析測試結(jié)果，撰寫結(jié)合科研內(nèi)容的實驗報告，培養(yǎng)學(xué)生科研興趣和創(chuàng)新意識。在教學(xué)實踐中，由指導(dǎo)教師實驗前一周提供給學(xué)生相關(guān)參考文獻，要求學(xué)生在預(yù)習(xí)報告中對背景知識做充分了解，并準(zhǔn)備好添加了微膠囊和未添加的環(huán)氧樹脂固化樣條。課堂上指導(dǎo)學(xué)生利用 DMA Q800 對樣條的動態(tài)力學(xué)性能進行測試分析。采用的夾具種類為三點彎曲夾具，動態(tài)力學(xué)頻率譜測試的溫度為常溫，頻率掃描區(qū)間為 1-100 Hz。損耗因子 tanδ是衡量材料阻尼性能的重要參數(shù)。一般來說，tanδ-頻率曲線越平緩，tanδ值越高的高分子材料，阻尼性能越好。要求學(xué)生針對得到的兩條tanδ-頻率曲線，分析微膠囊的加入對環(huán)氧樹脂的阻尼性能的影響，并結(jié)合文獻做出合理的解釋。

3 聚氯乙烯薄膜的蠕變性能實驗

蠕變是重要的高分子靜態(tài)粘彈性現(xiàn)象之一，是在一定的溫度和一定的外力(拉伸、剪切、壓縮等)作用下，高分子的形變隨著時間的推移而逐漸發(fā)展的現(xiàn)象。粘彈性材料的形變同外力作用的時間有關(guān)，描述這種關(guān)系的應(yīng)變-時間曲線稱之為蠕變曲線。在某一時刻撤除外力后，應(yīng)變與時間的曲線稱之為蠕變回復(fù)曲線。從分子運動的觀點分析蠕變現(xiàn)象，形變可分為三類：(1)普彈形變；(2)高彈形變；(3)永久形變。蠕變現(xiàn)象同溫度的高低及外力的大小有關(guān)。溫度太低，外力太小時，形變很小而且很慢，在短時間內(nèi)不易察覺蠕變現(xiàn)象。一般溫度在Tg附近，適當(dāng)外力作用下，鏈段既可以運動，又有較大的運動阻力，可以觀察到明顯的蠕變現(xiàn)象。高分子材料的蠕變性能反映了材料的尺寸穩(wěn)定性。在教學(xué)實踐中，我們選擇利用DMA Q800的蠕變/應(yīng)力松弛模式測試聚氯乙烯薄膜樣條的蠕變性能實驗。采用熱壓法制備聚氯乙烯薄膜，并將其裁成厚度為0.5～2.0 mm，寬度為3～6 mm, 長度為20～30mm薄膜樣條。采用薄膜拉伸夾具，拉伸力恒定為3 N, 溫度恒定在30 ℃，恒溫時間為10 min，其中蠕變時間為5 min，恢復(fù)時間為5 min。再分別在40 ℃和50 ℃進行蠕變和蠕變回復(fù)曲線的測定。通過分析不同溫度下的該材料蠕變及回復(fù)曲線，要求學(xué)生掌握高分子材料蠕變的概念和測試方法，了解測試條件對測試結(jié)果的影響。

4 聚氯乙烯/ABS共混體系相容性實驗

高分子共混物的粘彈性受到體系組分間相容性、組分相對含量及相態(tài)結(jié)構(gòu)的影響。相容的高分子共混體系在其動態(tài)力學(xué)溫度譜中表現(xiàn)出一個與組成含量有關(guān)的主轉(zhuǎn)變，不相容體系中則出現(xiàn)了兩個與各自組分相對應(yīng)的主轉(zhuǎn)變。因此，動態(tài)力學(xué)分析儀可以應(yīng)用于高分子共混體系或嵌段共聚物的相容性研究。在教學(xué)實踐中，事先將聚氯乙烯樹脂和ABS 接枝共聚物按一定的質(zhì)量比混合均勻，在雙輥開煉機上170 ℃下混煉 5 min，接著在平板硫化機上 185℃下壓制成標(biāo)準(zhǔn)樣條。測試頻率選定為 1 Hz，升溫速率為 3 ℃/min。在共混物的動態(tài)力學(xué)溫度譜上，學(xué)生可觀察到共混物存在兩個tanδ 松弛峰，分別對應(yīng)于 聚氯乙烯相和 ABS 相的Tg。隨著兩相相容性的增加，可以看到兩相松弛峰相互靠近，兩峰界限變得模糊。學(xué)生通過實驗操作和對譜圖中模量下降和出現(xiàn)內(nèi)耗峰的分子運動機理的分析，有助于更直觀地掌握高分子共混物或嵌段共聚物的相態(tài)結(jié)構(gòu)，也有助于理解共混物的粘彈性與組分間相容性、組分相對含量及相態(tài)結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

5 結(jié)語

高分子的粘彈性是高分子物理課程的重點章節(jié)，相關(guān)知識點繁多且抽象。借助于相關(guān)實驗，學(xué)生可直觀地觀察和測量高分子的粘彈性，更好地理解課堂上學(xué)到的相關(guān)知識。動態(tài)力學(xué)分析儀是表征高分子的粘彈性的有效工具。將動態(tài)力學(xué)分析儀引入到高分子物理實驗教學(xué)中，并充分發(fā)揮其作用，設(shè)置多層次的可供選做的實驗項目，對培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能和動手能力、綜合利用所學(xué)知識分析和解決問題能力和激發(fā)科研興趣等方面起到了積極作用。

[1] 劉鳳岐,湯心頤．高分子物理[M]．北京：高等教育出版社，2004.

[2] 金日光,華幼卿．高分子物理[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[3] 楊海洋,朱平平,何平笙． 高分子物理實驗[M]．合肥: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2008．

[4] 劉 曉．動態(tài)熱力學(xué)分析在高分子材料中的應(yīng)用[J]．工程塑料應(yīng)用, 2010, 38(7), 84-86.

[5] 過梅麗.高聚物與復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué)熱分析[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2002.

(本文文獻格式：趙成吉.動態(tài)機械分析儀在高分子物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用實例[J].山東化工，2017，46(06)：124-125.)

Application of Dynamic Mechanical Analyzer in Polymer Physics Experiments Teaching

ZhaoChengji

(College of Chemistry, Jilin University, Jilin, Changchun 130012, China)

The application of dynamic mechanical analyzer in polymer physics experiment teaching will help students to deepen their understanding of viscoelastic phenomena in polymer physics. We designed several experimental experiments around this instrument, so that students fully understand the principles and methods of dynamic mechanical analysis, learn to use this instrument to determine the viscoelastic properties of polymers, and explain the dynamic mechanical behavior of polymers from the molecular movement point of view. The setting of these experiments has played a positive role in cultivating students' experimental skills and practical ability, comprehensively utilizing the knowledge to analyze and solve the problems, and stimulating students' scientific research interests.

dynamic mechanical analyzer；polymer physics experiment；viscoelasticity

2017-0216

趙成吉 (1981—)，副教授，理學(xué)博士，從事高分子物理教學(xué)與研究工作。

G642.2

B

1008-021X(2017)06-0124-02