新品应用 | 采用Discovery ARES-G3流变仪进行蠕变-回复测试

关键词：蠕变、回复、黏弹性、聚合物

摘要

蠕变-回复测试可为工艺设计、配方对比及制件失效原因分析提供数据支撑。评估蠕变与回复特性，需对样品施加并撤除精确可控的应力。Discovery? ARES-G3?应变控制型流变仪可对从油类到聚合物乃至高刚性塑料的各类样品进行应力控制蠕变-回复测试。

引言

蠕变测试可用于评估材料在长期承受远低于其屈服应力的小应力时的性能表现。当材料所受应力低于屈服应力时，由于微观结构的重排，材料在最终使用过程中可能发生形变甚至失效。蠕变试验可用于确定材料的线性黏弹性区间^[1]和屈服应力^[2]。蠕变-回复测试通常以零应力阶段收尾，用于监测材料的恢复情况。蠕变与蠕变-回复测试可用于评估聚合物弹性对加工过程的影响^[3]、涂料的流挂现象^[4]以及塑料的失效^[5]。ARES-G3 流变仪搭配高级帕尔贴系统(APS)与强制对流加热炉(FCO)，可对各类材料开展蠕变-回复测试。本应用说明将探讨可在ARES-G3流变仪上进行蠕变-回复测试的材料范围。

背景

在蠕变-回复试验中，向材料瞬间施加某一恒定应力并维持指定时长，随后将应力瞬间撤除。实时监测材料的应变响应，该响应由材料的储能与耗能特性决定，如图1所示。纯粹的弹性材料在应力作用下会立即产生恒定应变，应力消除后，应变会即刻恢复至零。材料在应力作用下储存能量，应力撤除时释放能量。纯粹的黏性材料在应力作用下，应变会随时间呈线性增长。当应力消除后，材料将保持最终应变状态，无任何回复。纯粹的黏性材料会耗散能量，在应力消除后无法产生回弹。兼具黏性与弹性的黏弹性材料，其应变响应介于上述两种理想材料之间。应力施加初期，材料的弹性组分率先响应，导致应变急剧增加。随后黏性组分开始响应，应变的线性增长阶段可用于计算材料的低剪切黏度。应变-时间曲线线性段的斜率等于施加应力σ?与材料黏度??的比值，如图2所示。当应力消除时，会因弹性组分的作用产生即时回复。回复程度会随时间推移逐渐增加，直至达到平衡值。样品的弹性越强，应变回复率越高，反之则越低。在图2的回复阶段中，黑色曲线的最终应变值低于蓝色曲线，表明其回复响应更显著。

蠕变-回复测试还可获得其他关键参数，包随时间变化的蠕变柔量J(t) ^{[3, 6]}

公式1

与可回复柔量Jr(t)，相关计算涉及施加应力σ0、随时间变化的应变γ(t)与可回复应变γ_R(t)。

公式2

蠕变柔量值越高的材料，在相同应力作用下的形变量越大，即材料的柔度更高。可回复柔量值越高的材料，弹性越强，应力撤除后的回复程度也越高。

图1：纯弹性、纯黏性和黏弹性材料对

突然施加并持续时间为t后突然撤除的应力的响应

图2：黏弹性材料的蠕变与回复区域

实验

S600标准油(25℃时黏度为1.054Pa·s)采用50mm上不锈钢平行板和下APS板夹具进行测量，由高级帕尔贴系统(APS)将温度控制在25℃。聚二甲基硅氧烷(PDMS)样品置于上下各25mm的不锈钢平行板之间进行测量，同时通过强制对流加热炉(FCO)将温度控制在30℃。丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)则采用矩形扭转夹具进行测试，并通过FCO将温度控制在30℃。

ARES-G3流变仪在应力控制模式下的测试过程中，电机位置控制回路会受外部应力控制回路的调控(见图3)，其中扭矩??为控制变量，?为位移量。传感器在此过程中作为检测元件，样品需纳入控制回路中^[7]。为优化测试性能，实验中会设置应力控制校准步骤，用于确定适用于各样品的PID系数。此步骤在图4中进行了详细说明。针对某一材料的特定测试条件完成PID系数优化后，可直接加载预计算的应力控制文件，无需在每次测试时重复执行应力控制校准步骤。

为保证蠕变测试的最优性能，实验流程中还增设了传感器校准步骤(见图4)。该步骤可实现样品松弛，同时让传感器完成测试前的校准准备。更多信息请参阅TRIOS?软件帮助文档。

结果与讨论

标准油的蠕变-回复测试

标准油是理想的黏性流体，图5为S600标准油的蠕变-回复测试结果。在蠕变阶段，向样品施加10Pa的应力并维持30秒。样品油的应变随时间呈线性增长。通过线性段斜率计算得到其黏度为1.073Pa.s，与标准定值的偏差在2%以内。当应力消除后，样品油仍保持应变状态，无任何回复行为。

PDMS的蠕变-回复测试

PDMS是一种黏弹性硅酮胶，在常温下表现出聚合物熔体的流变特性。测试结果如图6所示。蠕变阶段向样品施加30Pa的应力。PDMS样品因其弹性特性，在应变初始阶段呈现急剧上升趋势。随着黏性组分的响应，应变-时间曲线的斜率逐渐趋于恒定。当应力消除时，受弹性特性驱动，样品发生回弹，应变逐渐下降。但因黏性组分的耗能作用，应变无法完全恢复至零。图7为PDMS的蠕变柔量与可回复柔量测试结果。蠕变阶段，样品在应力作用下形变量持续增加，蠕变柔量随时间不断上升。当应力消除时，弹性组分成为响应主导，可回复柔量出现急剧上升。随后黏性组分开始作用，可回复柔量的增长速率放缓并逐渐趋于平稳。

结论

本研究采用ARES-G3流变仪分别对理想黏性的S600标准油、黏弹性的PDMS及刚性的ABS开展了蠕变-回复测试，验证了该仪器可完成各类材料的蠕变-回复性能评估。所有样品均经施力-撤力处理，并对其应变响应进行了实时监测。S600标准油表现出纯粹的黏性响应。在30℃下，刚性ABS材料对应力的响应以弹性为主。PDMS则表现出典型的黏弹性，其流变特性介于理想黏性与理想弹性材料之间。

最新上市的Discovery ARES-G3流变仪将流变测试推向更高水平。基于55年的流变创新，ARES-G3采用前沿技术与高精度硬件，以更少调整获得更真实、更准确的流体行为数据。

参考文献

致谢

本文由TA仪器的Kimberly A. Dennis博士撰写，李润明博士校对。

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