關鍵詞：蠕變、回復、黏彈性、聚合物

摘要

蠕變-回復測試可為工藝設計、配方對比及制件失效原因分析提供數(shù)據(jù)支撐。評估蠕變與回復特性，需對樣品施加并撤除精確可控的應力。Discovery? ARES-G3?應變控制型流變儀可對從油類到聚合物乃至高剛性塑料的各類樣品進行應力控制蠕變-回復測試。

引言

蠕變測試可用于評估材料在長期承受遠低于其屈服應力的小應力時的性能表現(xiàn)。當材料所受應力低于屈服應力時，由于微觀結構的重排，材料在最終使用過程中可能發(fā)生形變甚至失效。蠕變試驗可用于確定材料的線性黏彈性區(qū)間^[1]和屈服應力^[2]。蠕變-回復測試通常以零應力階段收尾，用于監(jiān)測材料的恢復情況。蠕變與蠕變-回復測試可用于評估聚合物彈性對加工過程的影響^[3]、涂料的流掛現(xiàn)象^[4]以及塑料的失效^[5]。ARES-G3 流變儀搭配高級帕爾貼系統(tǒng)(APS)與強制對流加熱爐(FCO)，可對各類材料開展蠕變-回復測試。本應用說明將探討可在ARES-G3流變儀上進行蠕變-回復測試的材料范圍。

背景

在蠕變-回復試驗中，向材料瞬間施加某一恒定應力并維持指定時長，隨后將應力瞬間撤除。實時監(jiān)測材料的應變響應，該響應由材料的儲能與耗能特性決定，如圖1所示。純粹的彈性材料在應力作用下會立即產(chǎn)生恒定應變，應力消除后，應變會即刻恢復至零。材料在應力作用下儲存能量，應力撤除時釋放能量。純粹的黏性材料在應力作用下，應變會隨時間呈線性增長。當應力消除后，材料將保持最終應變狀態(tài)，無任何回復。純粹的黏性材料會耗散能量，在應力消除后無法產(chǎn)生回彈。兼具黏性與彈性的黏彈性材料，其應變響應介于上述兩種理想材料之間。應力施加初期，材料的彈性組分率先響應，導致應變急劇增加。隨后黏性組分開始響應，應變的線性增長階段可用于計算材料的低剪切黏度。應變-時間曲線線性段的斜率等于施加應力σ?與材料黏度??的比值，如圖2所示。當應力消除時，會因彈性組分的作用產(chǎn)生即時回復?；貜统潭葧S時間推移逐漸增加，直至達到平衡值。樣品的彈性越強，應變回復率越高，反之則越低。在圖2的回復階段中，黑色曲線的最終應變值低于藍色曲線，表明其回復響應更顯著。

蠕變-回復測試還可獲得其他關鍵參數(shù)，包隨時間變化的蠕變?nèi)崃縅(t) ^{[3, 6]}

公式1

與可回復柔量Jr(t)，相關計算涉及施加應力σ0、隨時間變化的應變γ(t)與可回復應變γ_R(t)。

公式2

蠕變?nèi)崃恐翟礁叩牟牧?，在相同應力作用下的形變量越大，即材料的柔度更高?？苫貜腿崃恐翟礁叩牟牧?，彈性越強，應力撤除后的回復程度也越高?/span>

圖1：純彈性、純黏性和黏彈性材料對

突然施加并持續(xù)時間為t后突然撤除的應力的響應

圖2：黏彈性材料的蠕變與回復區(qū)域

實驗

S600標準油(25℃時黏度為1.054Pa·s)采用50mm上不銹鋼平行板和下APS板夾具進行測量，由高級帕爾貼系統(tǒng)(APS)將溫度控制在25℃。聚二甲基硅氧烷(PDMS)樣品置于上下各25mm的不銹鋼平行板之間進行測量，同時通過強制對流加熱爐(FCO)將溫度控制在30℃。丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)則采用矩形扭轉(zhuǎn)夾具進行測試，并通過FCO將溫度控制在30℃。

ARES-G3流變儀在應力控制模式下的測試過程中，電機位置控制回路會受外部應力控制回路的調(diào)控(見圖3)，其中扭矩??為控制變量，?為位移量。傳感器在此過程中作為檢測元件，樣品需納入控制回路中^[7]。為優(yōu)化測試性能，實驗中會設置應力控制校準步驟，用于確定適用于各樣品的PID系數(shù)。此步驟在圖4中進行了詳細說明。針對某一材料的特定測試條件完成PID系數(shù)優(yōu)化后，可直接加載預計算的應力控制文件，無需在每次測試時重復執(zhí)行應力控制校準步驟。

為保證蠕變測試的最優(yōu)性能，實驗流程中還增設了傳感器校準步驟(見圖4)。該步驟可實現(xiàn)樣品松弛，同時讓傳感器完成測試前的校準準備。更多信息請參閱TRIOS?軟件幫助文檔。

結果與討論

標準油的蠕變-回復測試

標準油是理想的黏性流體，圖5為S600標準油的蠕變-回復測試結果。在蠕變階段，向樣品施加10Pa的應力并維持30秒。樣品油的應變隨時間呈線性增長。通過線性段斜率計算得到其黏度為1.073Pa.s，與標準定值的偏差在2%以內(nèi)。當應力消除后，樣品油仍保持應變狀態(tài)，無任何回復行為。

PDMS的蠕變-回復測試

PDMS是一種黏彈性硅酮膠，在常溫下表現(xiàn)出聚合物熔體的流變特性。測試結果如圖6所示。蠕變階段向樣品施加30Pa的應力。PDMS樣品因其彈性特性，在應變初始階段呈現(xiàn)急劇上升趨勢。隨著黏性組分的響應，應變-時間曲線的斜率逐漸趨于恒定。當應力消除時，受彈性特性驅(qū)動，樣品發(fā)生回彈，應變逐漸下降。但因黏性組分的耗能作用，應變無法完全恢復至零。圖7為PDMS的蠕變?nèi)崃颗c可回復柔量測試結果。蠕變階段，樣品在應力作用下形變量持續(xù)增加，蠕變?nèi)崃侩S時間不斷上升。當應力消除時，彈性組分成為響應主導，可回復柔量出現(xiàn)急劇上升。隨后黏性組分開始作用，可回復柔量的增長速率放緩并逐漸趨于平穩(wěn)。

結論

本研究采用ARES-G3流變儀分別對理想黏性的S600標準油、黏彈性的PDMS及剛性的ABS開展了蠕變-回復測試，驗證了該儀器可完成各類材料的蠕變-回復性能評估。所有樣品均經(jīng)施力-撤力處理，并對其應變響應進行了實時監(jiān)測。S600標準油表現(xiàn)出純粹的黏性響應。在30℃下，剛性ABS材料對應力的響應以彈性為主。PDMS則表現(xiàn)出典型的黏彈性，其流變特性介于理想黏性與理想彈性材料之間。

最新上市的Discovery ARES-G3流變儀將流變測試推向更高水平?；?5年的流變創(chuàng)新，ARES-G3采用前沿技術與高精度硬件，以更少調(diào)整獲得更真實、更準確的流體行為數(shù)據(jù)。

參考文獻

致謝

本文由TA儀器的Kimberly A. Dennis博士撰寫，李潤明博士校對。

TA Instruments、ARES-G3和TRIOS是沃特世公司的商標。