基于高分子加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)的流變學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

姚雪亮 常志宏

[關(guān)鍵詞] 加工成型;流變;教學(xué)

[基金項(xiàng)目] 2019年度同濟(jì)大學(xué)第十五期實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革專項(xiàng)基金“MARS40平板流變儀在高分子專業(yè)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用”（0500104114）

[作者簡介] 姚雪亮（1989—），男，甘肅蘭州人，工學(xué)學(xué)士，同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院助理實(shí)驗(yàn)師，實(shí)驗(yàn)員，主要從事高分子材料實(shí)驗(yàn)研究;常志宏（1979—），女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，工學(xué)博士，同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授，主要從事高分子材料降解研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）17-0069-04 [收稿日期] 2021-12-31

引言

作為高分子材料方向的核心課程，“高分子流變學(xué)”對于高分子材料加工有著重要的指導(dǎo)意義，其主要任務(wù)之一就是利用流變學(xué)相關(guān)測試及分析為高聚物加工成型服務(wù)。流變特性的測量是聚合反應(yīng)工程、聚合物加工工程、加工設(shè)備和模具設(shè)計(jì)制造中研究流場和溫度場的基礎(chǔ)，也是驗(yàn)證和指導(dǎo)本構(gòu)方程理論研究與發(fā)展的基礎(chǔ)。[1]聚合物典型加工過程的流變學(xué)分析是流變學(xué)原理在加工工藝和加工設(shè)備設(shè)計(jì)上的具體應(yīng)用。[2]但在高聚物加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，學(xué)生往往難以深入理解，在實(shí)驗(yàn)過程中將流變學(xué)基本規(guī)律與加工過程聯(lián)系起來很難。[3]因此，在高分子成型加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，怎樣將生產(chǎn)實(shí)踐與基礎(chǔ)理論相結(jié)合，運(yùn)用理論知識來指導(dǎo)和解決實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題是本課程教學(xué)的難點(diǎn)。

在實(shí)際教學(xué)中，在始終專注于教學(xué)主線的同時(shí)，還需將生產(chǎn)實(shí)際與高分子成型加工的基本理論相結(jié)合，使學(xué)生更好地了解本課程的主題思想。例如，在中空吹塑成型實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以向?qū)W生擴(kuò)展介紹常用包裝容器的主要原材料（PP、PE、PET等）及其主要加工工藝（擠出吹塑、注塑吹塑、注塑—壓制成型等）。不同特性的容器具使用的加工方法和成型工藝都各有不同，從而說明了制品性能與成型加工工藝之間的關(guān)系。通過不同成型加工方法及工藝特點(diǎn)相互比較，可以使學(xué)生將具體實(shí)踐與理論課程所學(xué)知識相結(jié)合，對本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容達(dá)到融會(huì)貫通的效果，進(jìn)一步強(qiáng)化了學(xué)生的專業(yè)知識，取得了良好的教學(xué)效果。[4]

大連理工大學(xué)王艷色等人研究發(fā)現(xiàn)，在開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用中引進(jìn)大型測試設(shè)備，在完善教材、教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)?zāi)康膹氖煜さ膯我恢R過渡到強(qiáng)調(diào)多元知識之間的聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生積極參與實(shí)驗(yàn)，不僅培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識的能力，激發(fā)學(xué)生積極思考，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的思維判斷能力和競爭力，而且提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)效。同時(shí)，大型儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)中普遍存在的“空閑時(shí)間”問題也得到了解決。[5]因此，筆者嘗試通過在現(xiàn)有高分子加工成型實(shí)驗(yàn)中引入MARS400平板旋轉(zhuǎn)流變儀的應(yīng)用，通過對高分子加工成型實(shí)驗(yàn)中的原材料及產(chǎn)物流變性能的表征，加強(qiáng)學(xué)生對熱塑性聚合物在加工過程中狀態(tài)變化的理解和對加工工藝參數(shù)的分析能力，并通過對加工產(chǎn)品的流變性能分析，反應(yīng)不同加工工藝參數(shù)對加工產(chǎn)品性能的影響，從而使學(xué)生對高分子加工成型工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)有一個(gè)初步的認(rèn)識和理解。

目前，常見的流變測試儀器有毛細(xì)管流變儀、哈克流變儀及旋轉(zhuǎn)流變儀。旋轉(zhuǎn)流變儀又分為圓筒式旋轉(zhuǎn)流變儀、錐板旋轉(zhuǎn)流變儀及平板旋轉(zhuǎn)流變儀。旋轉(zhuǎn)流變儀的測試模式可分為穩(wěn)態(tài)測試和瞬態(tài)測試。它們的區(qū)別在于施加應(yīng)變或應(yīng)力的方式。穩(wěn)態(tài)測試使用連續(xù)旋轉(zhuǎn)施加應(yīng)變或應(yīng)力以獲得恒定剪切速率，并在剪切流達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)測量流體變形產(chǎn)生的扭矩。瞬態(tài)測試是指通過施加瞬時(shí)應(yīng)變率或應(yīng)力來測量流體隨時(shí)間的響應(yīng)。動(dòng)態(tài)測試主要是對流體施加振蕩應(yīng)變或應(yīng)力，以測量流體響應(yīng)的應(yīng)力或應(yīng)變。在動(dòng)態(tài)測試中，可以使用被測材料共振頻率下的自由振蕩或固定頻率下的正弦振蕩。這兩種方法都可用于測量黏度和模量，但不同之處在于，固定頻率下的正弦振蕩試驗(yàn)可以獲得材料特性的應(yīng)變或應(yīng)力依賴性，以及材料特性的頻率依賴性。

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

在目前廣泛開展的加工實(shí)驗(yàn)中，流變學(xué)分析對于混煉、熱壓、擠出、注塑等常見的聚合物加工成型實(shí)驗(yàn)有著重要的指導(dǎo)意義。筆者基于目前開展的“納米插層聚合物基復(fù)合材料擠出成型”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，拓展原有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，引入旋轉(zhuǎn)流變儀作為基本表征設(shè)備，對改性前后的材料進(jìn)行流變性能測試及分析，提高學(xué)生對于聚合物加工過程中流變學(xué)分析的應(yīng)用能力。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備

1.實(shí)驗(yàn)原料：聚丙烯、馬來酸酐接枝聚丙烯、改性蒙脫土、抗氧劑1010。

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)備：雙螺桿擠出機(jī)（CET-5000）、平板旋轉(zhuǎn)流變儀（MARS400）（見圖1）。

（二）實(shí)驗(yàn)原理

旋轉(zhuǎn)流變儀是研究高分子材料流變性能的重要測試設(shè)備，不僅可用于測量聚合物流體的黏度，還能在較寬的頻率、溫度范圍內(nèi)研究聚合物的動(dòng)態(tài)黏彈性，從而揭示聚合物體系內(nèi)在的結(jié)構(gòu)—性能—分子運(yùn)動(dòng)間的相互關(guān)系。[6]

在聚合物加工中，剪切流變、拉伸流變及黏彈性流變是解決加工參數(shù)問題的關(guān)鍵。例如絕大部分加工設(shè)備利用高聚物剪切變稀的特性，采取增強(qiáng)剪切作用的方式，提高熱塑性聚合物的塑化效果并提高加工產(chǎn)品的質(zhì)量，而聚合物特有的黏彈性則會(huì)在加工過程中產(chǎn)生擠出脹大、熔體破裂等現(xiàn)象。

平板旋轉(zhuǎn)流變儀依靠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)生簡單的剪切流動(dòng)，可以快速表征材料的黏彈性能，比如黏度（η）、儲能模量（G’）、損耗模量（G’’）和損耗角正切（tanδ）等，因此被廣泛應(yīng)用于研究高聚物的力學(xué)響應(yīng)和結(jié)構(gòu)松弛行為，以此來指導(dǎo)加工工藝的制定。特別是無機(jī)粒子的填充，對聚合物的結(jié)構(gòu)松弛時(shí)間有著很大的影響，從而影響相關(guān)的加工工藝設(shè)置。

（三）實(shí)驗(yàn)步驟

1.將平板旋轉(zhuǎn)流變儀升溫至180℃，在夾具上放置一顆聚丙烯粒料，下壓夾具至間隙為1mm，刮去夾具邊緣溢出熔體，降溫至25℃。

2.設(shè)置應(yīng)變?yōu)?%，頻率為1Hz，進(jìn)行25℃～190℃溫度動(dòng)態(tài)頻率掃描，獲得G’、G’’及tanδ隨溫度的變化曲線。

3.利用擠出造粒設(shè)備，制備無機(jī)粒子含量不同的5組納米插層改性聚丙烯，均按照步驟2的測試方法進(jìn)行溫度動(dòng)態(tài)頻率掃描測試。

（四）結(jié)果分析

通過對比發(fā)現(xiàn)，不同組樣品的松弛時(shí)間隨著無機(jī)粒子填充料的增多而增長。這表明，所填充的改性蒙脫土納米粒子與聚丙烯分子鏈之間存在相互作用，并且阻礙了聚合物分子鏈的運(yùn)動(dòng)。

在擠出成型中，當(dāng)高分子材料所受剪切速率超過臨界剪切速率時(shí)，擠出物表面出現(xiàn)畸變直至無規(guī)則破裂的現(xiàn)象稱為熔體破裂。[7]對比觀察不同組分的改性聚丙烯在加工過程中同一工藝參數(shù)下的不同狀態(tài)，特別是留意是否發(fā)生熔體破裂現(xiàn)象。對于發(fā)生熔體破裂的樣品，進(jìn)一步觀察表面粗糙度及破裂規(guī)律情況，進(jìn)而分析不同材料在模口處的應(yīng)力分布不同，并通過流變測試結(jié)果，分析相同加工工藝前提下，不同組樣品加工結(jié)果的不同原因，并根據(jù)原因分析加工工藝參數(shù)的設(shè)定合理性。

結(jié)語

擠出成型工藝中最重要的部分是螺桿擠出機(jī)，因此應(yīng)詳細(xì)說明螺桿擠出機(jī)的工藝特點(diǎn)，例如螺桿為何具有強(qiáng)大的混合效果。然后根據(jù)幾個(gè)重要的結(jié)論方程討論了螺桿擠出機(jī)的工作特性：螺桿頭壓力與產(chǎn)量之間的關(guān)系是什么，如何實(shí)現(xiàn)擠出機(jī)和擠出模的穩(wěn)定工作點(diǎn)。對典型加工過程中幾種常用的流變學(xué)分析應(yīng)適當(dāng)避免煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生注重實(shí)際的流程分析，使學(xué)生對常用加工機(jī)械及其工藝特點(diǎn)有深刻地了解，拓寬學(xué)生的思維方式和學(xué)會(huì)分析問題的方法，把分析問題和解決問題的能力放在以后的研究和工作實(shí)踐中。[2]

筆者基于已在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開展的“納米插層聚合物基復(fù)合材料的擠出成型”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，充分利用大型測試儀器資源，將平板旋轉(zhuǎn)流變儀引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)工程中去，并通過一系列的測試分析，將擠出成型過程中的工藝參數(shù)的設(shè)定與其動(dòng)態(tài)黏彈性聯(lián)系起來，鼓勵(lì)學(xué)生利用聚合物流變學(xué)分析理論和手段進(jìn)行合理的加工工藝參數(shù)調(diào)節(jié)，提高學(xué)生聚合物加工成型實(shí)驗(yàn)過程中的分析能力和實(shí)踐能力。在教學(xué)過程中需要充分利用線上線下混合課程的優(yōu)勢，在實(shí)驗(yàn)開展前注意讓學(xué)生及時(shí)回顧聚合物流變學(xué)的基本知識，包括高聚物熔體流變行為的特點(diǎn)、流變學(xué)基本測試方法等。在實(shí)驗(yàn)講授中要注意結(jié)合設(shè)備操作演示，介紹常見的流體模型及其應(yīng)用，從而方便理解影響聚合物流變行為的主要因素，以及各種因素對聚合物加工工藝的影響。

在未來的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，流變性能測試分析不應(yīng)該局限于對擠出造粒加工成型過程的工藝分析，可以在雙輥煉塑、注塑成型、吹塑成型等多種加工成型工藝中，通過對實(shí)驗(yàn)原料及產(chǎn)品的流變性能測試分析，幫助學(xué)生加強(qiáng)對加工過程中高聚物物理形態(tài)變化的理解，加深對加工工藝影響最終產(chǎn)品的認(rèn)識，學(xué)會(huì)通過合理的測試分析，精細(xì)化調(diào)節(jié)加工工藝參數(shù)，從而初步具備利用理論知識解決實(shí)際問題的能力和手段。同時(shí)，為了進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生對于流變性能在加工工藝中應(yīng)用的理解和掌握，應(yīng)當(dāng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，適當(dāng)?shù)匾氩糠州^成熟的前沿科研課題實(shí)驗(yàn)，例如通過高分子流變性能分析不同材料的支化結(jié)構(gòu)及性能，從而分析HDPE和LDPE發(fā)泡性能的不同，以及如何通過工藝參數(shù)的調(diào)整共混制備性能優(yōu)異的發(fā)泡聚乙烯母料，等等。[8]

在本課程的建設(shè)過程中，還可以根據(jù)需要融入一定的課程思政建設(shè)內(nèi)容，充分發(fā)揮流變學(xué)中對立統(tǒng)一的辯證思想。例如在廖華勇等人的研究中提到，在模具設(shè)計(jì)中，考慮到塑件壁太厚不好，因?yàn)樘裥纬蓽囟忍荻龋菀桩a(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力及氣泡、縮孔;太薄也不好，流動(dòng)阻力大，容易出現(xiàn)不完全充模的現(xiàn)象。澆注系統(tǒng)中的澆口也有類似的問題。澆口小、剪切速率大、摩擦生熱使得塑料熔體溫度升高，對于一般的假塑性流體，有利于增加流動(dòng)性，但澆口兩側(cè)的壓差會(huì)增加，使流動(dòng)阻力增加。澆口大，則澆口凍結(jié)時(shí)間長，而且澆口切除困難。所以，塑件注塑成型常用小澆口。這是矛盾的一般性，但矛盾又存在特殊性。例如在有些情況下不宜采用小澆口，而應(yīng)采用大澆口，如熱敏性塑料、接近牛頓性流體的塑料、大型塑件等。因?yàn)樵谶@些情況下，小澆口的優(yōu)勢發(fā)揮不出來，采用大澆口反而有利。[8]郝文濤等人的研究中選擇了部分比較典型的概念，包括流動(dòng)與變形、假塑性與脹塑性、觸變性與反觸變性等，分析了它們的內(nèi)在聯(lián)系，指出了其對立統(tǒng)一性。通過對這些形式上對立、內(nèi)涵上統(tǒng)一的概念進(jìn)行辨析，在教學(xué)過程中幫助學(xué)生快速掌握了高分子材料的復(fù)雜流動(dòng)行為特征，同時(shí)幫助學(xué)生深刻理解了高分子結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系。[9]由此可見，在高分子加工成型實(shí)驗(yàn)中引入流變性能的測試與分析，不僅有助于提高加工成型實(shí)驗(yàn)本身的深度與廣度，加強(qiáng)學(xué)生對于加工工藝參數(shù)的理解和掌握，還可以深挖其內(nèi)涵，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中課程思政的建設(shè)，踐行“三全育人”的理念。

參考文獻(xiàn)

[1]王艷色，李戰(zhàn)勝，唐萍，等.“聚合物流變性能的測試”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].化工高等教育，2017，34（2）：63-65+81.

[2]陶勇，王新，胡海青.針對工科專業(yè)的高分子材料流變學(xué)教學(xué)實(shí)踐和體會(huì)[J].高分子通報(bào)，2021（2）：78-82.

[3]張榮，胡圣飛，劉清亭.高分子流變學(xué)規(guī)律的教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用[J].廣東化工，2016，43（8）：196+191.

[4]楊斌，夏茹，錢家盛，等.基于制品設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化的高分子成型加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J].廣東化工，2013，40（17）：204+206.

[5]劉晶如，俞強(qiáng)，朱夢冰.旋轉(zhuǎn)流變儀在高分子物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31（4）：93-95.

[6]疏瑞文.流變儀在高分子物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].廣州化工，2016，44（14）：229-230.

[7]陳曉明.高分子材料支化結(jié)構(gòu)與流變性的聯(lián)系串講[J].高分子通報(bào)，2015（7）：86-88.

[8]廖華勇.高分子成型加工及流變學(xué)科研與教學(xué)[J].教育教學(xué)論壇，2016（44）：236-237.

[9]郝文濤，楊文.高分子流變學(xué)中的對立統(tǒng)一概念[J].化工時(shí)刊，2021，35（6）：41-43+62.

Abstract： As an important experimental teaching content of polymer materials， processing molding experiment is one of the important courses in practical teaching of material specialty in colleges and universities. With the increasing requirements of experimental teaching， the traditional processing and molding experiments can not meet the training requirements of compound engineering talents. In this paper， on the basis of the existing experimental project of “extrusion molding of polymer-based nanocomposites”， we introduce the rheometer， a large-scale testing equipment， in which the rheological properties of raw materials and samples in the whole process of processing and forming are characterized in detail， which can improve the theoretical depth and teaching effect of processing and forming experiment. This paper can provide a new idea for the further reform and perfection of the teaching experiment of processing molding.

Key words： processing and forming; rheology; teaching