动态剪切流变试验：核心参数、检测模式与行业应用

动态剪切流变试验：核心参数、检测模式与行业应用

动态剪切流变试验是一种用于研究材料流变性质的重要测试方法，广泛应用于高分子材料、食品工业和药品与化妆品等领域。通过测量储能模量（G'）、损耗模量（G''）、相位角（δ）和复数黏度（η*）等关键参数，可以全面了解材料的弹性、黏性和流动特性。本文将详细介绍动态剪切流变试验的核心检测参数、检测模式与标准方法、典型行业应用案例以及检测流程关键点。

一、核心检测参数

1. 储能模量（G'）

• 检测意义：反映材料的弹性（固态特性）。
• 高G'值：材料结构强（如交联橡胶、硬质凝胶）。
• 低G'值：材料偏软（如未固化树脂、软膏）。
• 应用场景：评估凝胶强度、聚合物交联程度、固化反应终点判定。

2. 损耗模量（G''）

• 检测意义：反映材料的黏性（液态特性）。
• 高G''值：材料内部摩擦大，能量损耗高（如高黏度流体）。
• 低G''值：材料流动性好（如熔融塑料、稀溶液）。
• 应用场景：分析熔体流动阻力、乳化体系稳定性。

3. 相位角（δ）

• 检测意义：弹性与黏性的比例（δ = arctan(G''/G')）。
• δ接近0°：纯弹性材料（如橡胶）。
• δ接近90°：纯黏性流体（如水）。
• 中间值：黏弹性材料（如聚合物熔体、膏体）。
• 应用场景：材料类型快速判别（固态/液态/凝胶态）。

4. 复数黏度（η*）

• 检测意义：综合反映材料流动阻力。
• 高η*：加工成型困难（如高填充复合材料）。
• 低η*：易于流动（如注塑级塑料）。
• 应用场景：优化加工工艺参数（如注塑温度、挤出速度）。

二、检测模式与标准方法

1. 频率扫描

• 测试条件：固定应变（在线性黏弹性区内），频率范围0.1~100Hz。
• 检测目的：
• 判断材料结构：
• 若G' > G''且不随频率变化 → 强凝胶（如果冻）。
• 若G'' > G'且随频率升高G'上升 → 弱凝胶（如洗发水）。
• 预测长期稳定性：低频区（0.1Hz）模拟长期储存行为。

2. 温度扫描

• 测试条件：固定频率（如1Hz），升温速率3℃/min。
• 检测目的：
• 玻璃化转变温度（Tg）：G'骤降对应的温度（如塑料Tg检测）。
• 熔融/固化行为：监测G'随温度的变化曲线，确定加工窗口。

3. 应变/应力扫描

• 测试条件：固定频率，逐步增加应变（0.1%~100%）。
• 检测目的：
• 线性黏弹性区（LVR）确定：G'、G''保持稳定的最大应变值。
• 结构破坏阈值：应变超出LVR时，G'骤降（如凝胶破裂）。

4. 时间扫描

• 测试条件：固定频率和应变，长时间监测（数小时至数天）。
• 检测目的：
• 固化过程监测：G'随时间增长而上升（如环氧树脂固化）。
• 稳定性评估：G'下降超过10% → 材料结构崩解（如乳膏分层）。

三、典型行业应用案例

1. 高分子材料

• 检测项目：频率扫描 + 温度扫描。
• 应用案例：
• 塑料共混物相容性：若不同频率下G'曲线分离 → 相容性差，需添加增容剂。
• 橡胶硫化程度：G'在硫化终点趋于稳定，用于控制硫化时间。

2. 食品工业

• 检测项目：应变扫描 + 时间扫描。
• 应用案例：
• 巧克力流变性：高温下η*骤降 → 优化调温工艺，避免脂肪结晶异常。
• 酸奶质地：G'值高且稳定 → 提升口感稠度，防止乳清析出。

3. 药品与化妆品

• 检测项目：时间扫描 + 频率扫描。
• 应用案例：
• 药膏涂展性：低频区（0.1Hz）G'' > G' → 易于涂抹，高频区（10Hz）G' > G'' → 快速成膜。
• 乳液稳定性：时间扫描中G'持续下降 → 调整乳化剂比例或工艺。

四、检测流程关键点

2. 样品制备：

• 固体：切割成直径25mm、厚1-2mm圆片（平行板夹具）。
• 液体：使用锥板夹具（间隙50μm），避免气泡干扰。

4. 参数设置：

• 优先确定线性黏弹性区（应变扫描），避免测试中结构破坏。
• 温度敏感材料需预平衡至测试温度（±0.1℃精度）。

6. 数据判读：

• Cole-Cole图（G'' vs G'）：曲线形状反映材料均一性（半圆形→均相；分散→多相）。
• 主曲线：通过时温叠加原理，预测宽温度/频率范围行为。

文章来源：bjhgyjs.cn