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研究背景：

三个花生酱为产品样品确定如何测量其流动特性。产品样品被标记为良好、干燥和潮湿。

一位顾客想要一种对不同质量配方的硬度和一致性进行客观感官评价方法。即在实际生产成品之前，确定花生酱在加工过程中的反应。问题是太湿(软)的产品不会保持形状，太干的产品会破碎。产品的质构特征需要落在一个给定的范围内，以减少不可用产品的产生和生产延迟。

测试方法：

在测试之前，样品被允许平衡到室温。将给定数量的产品称重，并在每次测试复制时形成球状。然后用一个比装样品的容器小的活塞将样品反向挤压。所有测试均使用TMS-Pro分析仪以100 mm/min的速度完成。当活塞向下移动时，花生酱就会在压缩活塞周围流动起来。样品被压缩到距离容器底部10毫米的距离。使产品变形所需的力可以很好地说明半固态食品在加工条件下移动和行为的方式。

研究意义：

更好地理解产品在加工过程中的作用，全面提高了产品质量

消除与加工不合格成分相关的停机时间和返工

使用软件控制的质构分析仪对可接受性和制造加工效率进行分级的可重复方法

量化的硬度和粘度质地相关的接受或拒绝质量水平的硬度、流变性等

炎炎夏日，来线上学习，让知识来“降温”，本期推荐流变相关的在线研讨会，点击“主题”进行报名，一起来充电。

01

主题：聚合物薄膜的表征

时间：2020-09-03

15：00-15：45

主讲人：Jiří Nohava, PhD., Tobias Husemann, Dr. Gregor Plohl, Dr. Matthias Walluch

02

主题：食品的流动特性控制

时间：2020-09-15

09：00-09：30

主讲人：Markus Nemeth, Dr. Pablo Zardoya-Laguardia

03

主题：锂离子电池组件的性能表征和优化

时间：2020-10-15

11：00-12：00

主讲人：Dr. Martin Thomas

流变&拉曼：表征高分子材料在融化和结晶过程中的宏观物性与微观结构

概述 
高分子的结晶能力与材料的结构特征相关，高分子的结构对称性越高，越容易结晶。选择合适的聚乙烯材料，需了解其微观结构。此外，聚合物的结晶和融化过程对很多工业生产工艺有较为重大的影响。研究聚合物结晶和融化过程，对于聚合物的优化改性和优化生产工艺来说至关重要。

聚乙烯产品
安东帕MCR系列流变仪和CORA系列拉曼光谱仪联用，研究茂金属聚乙烯（mPE）融化和凝固过程中物理、化学性能变化。一方面，流变仪追踪mPE融化和凝固过程中粘弹性变化，从宏观角度研究融化和结晶过程中物理性能的变化；另一方面，拉曼光谱仪测试相同过程mPE分子链结构变化，从微观分子角度展现融化和结晶过程伴随的化学结构变化。综合二者，对mPE融化和结晶过程进行了不同层面的探讨，为mPE的改优化和改性提供了可靠的依据。

MCR流变仪+CORA拉曼光谱仪
MCR-CORA联用示例：结晶过程 
降温试验，观察样品的结晶过程。样品在降温初始阶段，体现了常规的熔体行为，即损耗模量高于储能模量约半个数量级。在降温过程中，样品内能下降，分子热运动强度降低，其宏观行为体现为模量的小幅上升。模量上升的斜率接近于零。随后样品的模量快速上升，储能模量和损耗模量出现交点，样品黏弹性属性出现了显著的变化。这一过程中聚合物发生了大量结晶，分子间作用力增加，同时微晶体起到了物理交联的作用，造成了样品的模量上升超过260倍。

同一过程，拉曼光谱图反应了降温结晶过程中微观分子结构的变化。聚乙烯融化过程中聚合物分子CC长链构象发生了转变。固态PE在1128 cm-1峰很明显，这个峰来自于C-C长链全反式构象（all-trans conformation）。由于PE的结晶区CC链主要是C-C长链全反式构象（all-trans conformation）；因此，可用1128 cm-1峰作为结晶指标。此外，1060 cm-1的出现也与C-C长链全反式构象（all-trans conformation）有关。融化状态下，PE的C-C链的旋转产生了大量的邻位交叉构象（gauche conformation）破坏原有的C-C长链全反式构象，而1083 cm-1来自于邻位交叉构象C-C链。因此，用1083 cm-1表征聚合物的“无定形”状。另外两个峰，1300 cm-1和1440 cm-1，分来自于CH2的面内转动和剪切振动，PE的结晶过程和融化过程对于这两个峰强度的影响比较小。

子在川上曰：“逝者如斯夫，不舍昼夜”。

这句话，就囊括了朴素的流变学理念。

流变应当是一个充满趣味，与我们的生产生活息息相关的科学，但同时又枯燥深涩：满纸的公式、方程会让人望而却步。我们今天聊的，试图用一种通俗易懂的语言方式，让流变的知识变得触手可及，直至成为一种常识，最终内化为发现问题，分析问题和解决问题的方法。条条大道通罗马，而流变，只不过是通向罗马的路径之一。

一、有趣的流变现象

读书是一个由厚到薄，再从薄到厚的过程。对流变的学习和理解，也概莫能外。在科学发展进化的历史长河中，人类认识世界和改造世界的能力，总是伴随着对各种自然现象的本质化解读、解释。所谓透过现象看本质，对本质的孜孜追求，就成为了科学。

与流变相关的例子在生活中比比皆是，只不过我们没有从流变的思维去探讨过。例如：

孩提时代，在湖面上用轻薄的石头打水漂，看谁的石头打得远；

无论是人还是动物，一旦陷入沼泽地，越挣扎，就会陷落得越快；

法国沙塔尔大教堂的玻璃，1200年到现在，发现上面变薄了，下面变厚了；

再比如，喷鼻子的药物，说明书或者外包装上总是清晰的告之：用前摇一摇。这又是为什么？

和面机和面的时候，为什么搅拌轴上总是爬满了面团？

在用吸管吃盒装酸奶的时候，吃完后揭开封膜，发现封膜和杯子的内壁上总是残留部分酸奶。有想过为什么吗？这点浪费有更好的办法可以解决吗？

在泡茶的时候，总是在茶水的表面，会形成一层茶膜。有想过为什么吗？

天天刷牙。牙膏为什么挤了才会出来，不挤不会出来。这又是为什么呢？

透明胶带放置的久了，再用发现不粘了。

厨师在做汤的时候，为了不让其他的原料沉淀和分层，往往会加入淀粉勾芡。这又是为什么？

例子很多，不胜枚举。归根结底，这些现象都与流变息息相关。科学家们不断地问着为什么，持续探究问题背后的答案，不断解决社会进步过程中的一个又一个疑难问题，最终形成了科学理论，称之为流变学。

二、流变学概述

2.1 流变学定义

“流变学”的英语名称是“rheology”，这一术语是美国Bingham提出的。流变学是研究物质变形和流动的科学，它的研究对象主要是非牛顿流体，高分子流体（包括溶液和熔体）等。

在这里，我更倾向于用“软物质”这个词来定义和指代所有的流变学研究的对象。软物质（softmatter）是指处于固体和理想流体之间的物质。又称软凝聚态物质。包括各类非牛顿流体，高分子聚合物，地质熔岩，矿渣泥石流，地壳运动等各类物质或者材料。一般由大分子或基团组成，包括液晶、聚合物、胶体、膜、泡沫、颗粒物质、生命体系物质（如DNA、细胞、体液、蛋白质）等。可以是固－液混合物、液－液混合物、气－液混合物等。在自然界、生命体、日常生活和生产中广泛存在。随处可见的橡胶、胶水、墨汁、洗涤剂、涂料、化妆品、食品等都属于软物质。

软物质这一概念很好的表达了流变学的本质，万物皆流，哪怕高山。与流变相关的特征，粘弹性，时间尺度，宏观与微观等，软物质这个词汇相对准确且完整的表述了流变学所要研究的物质对象。

一句话，流变是研究软物质流动和形变的学科。

2.2 流变学简史

流变学很年轻，从成为独立学科到现在，短短百年。在流变学的发展历程上，有三个伟大的科学家值得铭记。

1687年， I.牛顿首先做了简单的剪切流动实验。实验指出，两板之间的速度分布u(y)服从线性规律。作用在上板的力同板的面积、板的运动速度成正比，同间距d成反比。

1678年，英国人胡克的弹性定律指出：弹簧在发生弹性形变时，弹簧的弹力和弹簧的伸长量（或压缩量）成正比。弹性系数只由材料的性质所决定，与其他因素无关。可以理解为固体材料受力之后，材料中的应力与应变（单位变形量）之间成线性关系。

1928年，美国物理化学家Bingham提出了流变学的概念，次年成立了流变学会，创办流变学报。这标志着流变学的诞生。

牛顿和胡克奠定了最基本的流变学理论基础，宾汉姆继承了前人的成果且实现了新的突破，把流变学推向了一个崭新的、快速发展的轨道。

2.3 流变学功用

一门学科，总是理论和应用交织在一起，互为支撑，不断推动人类走向新的文明。在实际的工业应用中，流变学家不断发展新的理论，呈现出百家争鸣的局面。我在这里仅限于讨论实用流变测量学的功用，那些复杂的本构方程，偏微分数据处理，眼花缭乱的傅里叶变换，留给从事理论研究的流变学家们去表达陈述，我更多的思考聚焦在如何利用流变学的基本理论，公式模型，解决实际工程问题。比如研发配方的改进剖析，工艺过程管道的优化，质量控制的一致性评价等。一言蔽之，解决流变测量的问题。

（A）从流变学的思路，试图用软物质的概念来囊括液体、固体、半固体，甚至气体等物质。软物质是一个富有想象力的词汇，为流变学测试和增进理解搭建了一条坚实的桥梁。

（B）如何从流动和形变、流动或形变的多维度测试和数据分析，去映射工业应用领域遇到的实际困境。不同的行业，都有不同的倾向和侧重。尽可能全面、完整的实现流变测量与工业应用之间信息整合，试图跨越这个信息、知识鸿沟，让更多的业者尝试用流变的思维解决问题。

（C）单纯从术的角度，与大家一起剖析如何选择适合于自己的需求的旋转流变仪。做石油化工和做胶黏剂的，高校做科研的和企业做质量的，在选择流变仪的考量上肯定有很大的差别。

三、关于流变学的工具书

3.1 《实用流变测量学（修订版）》，石油工业出版社，2009年3月

没有复杂桀骜的公式，推荐这本书。这本书从流变学的基本概念入手，深入浅出，重点阐述了旋转流变仪和转矩流变仪等先进的仪器和测试方法，结合很多实际应用，给出了如何进行流变学测量的正确建议，为科研工作者和流变学入门者为进入流变学圣殿架起了一座桥梁。

3.2 《聚合物实验流变与应用》，上海交通大学出版社，2003年

这本书对于流变学的理论，概念，公式做了大量的严谨的，科学的阐述，结合流变仪在各个行业的应用案例，把复杂的流变学变得通俗易懂，且充满趣味。书中翔实的介绍了各种与流变学相关的测试仪器和测试方法，实用性很强。

如果有耐心看完这两本书，对于流变仪的了解和理解，基本上是入门了。接下来可以利用仪器设备进行一些开创性的研究了。

       LAUDA Scientific光学接触角测量仪与振荡滴扩张流变测量模块联用延伸出新的仪器光学扩张流变测量仪，因此光学扩张流变测量仪不仅可以测量界面扩张流变，而且具备接触角测量仪的其他测量性能。

       光学扩张流变测量仪是一款专门用于测量液体扩张流变的光学仪器，通过实时跟踪有规律震荡(正弦震荡)下的悬挂液滴，实时测量液滴的界面张力和表面积的变化，从而计算出液体的扩张粘弹指数及模量变化。光学扩张流变测量仪可以实时测量瞬间扰动下的悬挂滴，分析液滴的弛豫效应。

光学扩张流变测量仪可以实时计算任意时间范围内的液滴扩张模量变化，打破了单纯依靠视频录像计算的模式，使扩张模量的计算更快速、更方便。

光学扩张流变测量仪的功能特点：

Ø 液滴在固定频率下有规则扰动(正弦震荡)，实时扩张模量测量

Ø 液滴在不同频率下有规则扰动(正弦震荡)，实时扩张模量测量

Ø 气泡的有规则扰动(正弦震荡)，实时扩张模量测量

Ø 液滴在瞬间扰动下，实时弛豫测量

Ø 液滴体积\表面积自动补偿功能

Ø 震荡液滴的轮廓录像功能

Ø 模板式实时测量功能

光学扩张流变测量仪的基础配置：

- 6.5倍变焦视频系统              

- 自动注射单元ADDU-30XCN

- X轴精确导轨定位视频调焦台      

- X/Y/Z三轴精确导轨定位样品台    

- X/Y/Z三轴精确导轨定位注射平台

- SurfaceMeter专业扩张流变测量软件

光学扩张流变测量仪的基础功能：

- 液体表界面张力测量          

- 震荡滴扩张流变测量  

- 弛豫效应测量

- 表面自由能测量和粘附功分析    

- 静态接触角测量

- 动态接触角测量        

光学扩张流变测量仪的选配功能

- 8.6/12.9/45倍变焦高速视频系统                      

- 滞留力旋转台                        - 非接触式注射功能                

- 全自动倾斜台                        - 双液滴注射功能

- 温度控制单元                        - 单一纤维接触角测量模块

- 俯视法测量模块                     - 粉末/多孔材料润湿测量模块

- 全自动临界胶束浓度测量模块(CMC)

我们所说的流变仪实际上主要是指旋转流变仪，这种仪器主要通过驱动一对测量夹具沿圆周方向做相对运动来实现对夹持于其中的样品进行流动和变形测量。其所执行的流动和变形主要集中于剪切方向，其所常用的夹具主要有如下图所示的固体扭摆、锥板、平行板和同心筒等。

TA仪器Discovery流变仪与其竞争对手产品ZD的不同之处在于其在十年前已经不再是传统的旋转流变仪了。TA仪器Discovery流变仪由其独特的轴向力平衡传感器（FRT）、磁浮止推轴承（MTB）和轴向真实位置传感器（TPS）的共同托举一跃成为一款可执行拉伸、压缩、弯曲和扭曲、剪切等多种变形的chao强功能流变仪，该类型流变仪可以执行的振荡变形模式如下图所示。

可以看出，TA仪器Discovery流变仪除了可执行传统常规旋转流变仪在圆周方向的测量外，只要为该类型流变仪配置合适的夹具，它就可以传统动态力学分析仪（DMA）所能执行的振荡测量了；TA仪器Discovery流变仪几种典型的动态力学分析测量夹具及结果如下图所示。