將流變儀應用于高分子物理實驗教學，可以使學生加深對高分子物理理論課中聚合物粘彈性與流變性能的理解。簡要介紹了旋轉流變儀的基本原理和主要檢測功能，并通過一些實例闡述了旋轉流變儀在高分子物理實驗教學中的具體應用。該實驗的設置可以使學生通過實驗鞏固高分子物理知識，分析流變實驗中體現的具體的高分子物理問題，更好地理解與掌握高分子科學的基本理論。

高分子物理是高分子材料相關專業的本科必修專業基礎課，主要研究聚合物的結構-性能-分子運動之間的關系。通過開設高分子物理實驗，一方面可以使學生增加感性認識，加深對課堂理論知識的理解，另一方面可以使學生掌握聚合物結構和性能測定的基本方法，培養學生的實驗技能。

聚合物流變性能測試是觀察高分子材料內部結構的窗口，不僅可以認識聚合物的結構與性能的關系，還能簡便高效地進行高分子材料的質量檢測和質量控制，從而對其加工成型過程提供理論指導。旋轉流變儀是研究高分子材料流變性能最重要的流變學測試系統，它不僅可以測量聚合物流體的粘度，還能在較寬的頻率、溫度范圍內研究聚合物的動態粘彈性，從而揭示聚合物體系內在的結構-性能-分子運動之間的關系。

旋轉流變儀的功能簡介

旋轉流變儀依靠旋轉運動來產生簡單剪切流動，可以快速表征材料的粘彈性能，比如粘度(η)、儲能模量(G')、損耗模量(G″)和損耗角正切(tanδ)等。

旋轉流變儀在高分子物理實驗教學中的應用

1.聚合物溶液的纏結濃度的測定

當高分子以分子狀態分散在溶劑中所形成均相體系稱為高分子溶液，目前廣泛應用于涂料、粘合劑和纖維紡絲等領域。

聚合物在水溶液中的構象隨著溶液濃度的改變而發生變化。當聚合物濃度很低時，聚合物以“鏈段云”的形態無規分布在溶液，呈無規線團構象，分子間無相互作用，溶液粘度低；增加聚合物的濃度到某一臨界值，“鏈段云”開始接觸，此時的臨界濃度為臨界交疊濃度(c*)，聚合物溶液進入亞濃溶液區；進一步增加聚合物濃度，聚合物分子鏈間發生纏結、交聯，稱為聚合物濃溶液，此時的濃度定義為纏結濃度(ce)。

高分子材料的加工對象主要涉及聚合物溶液和熔體，因此，對聚合物溶液的臨界濃度參數c*、ce的研究不僅具有理論意義，而且具有重要的實用價值。

通過流變實驗，借助烏氏粘度計和旋轉流變儀，可以測定一系列不同濃度的聚合物溶液的增比粘度(ηsp)，并繪制ηsp-c曲線，通過曲線擬合和標度率確定c*和ce的值。Qiao等研究了明膠水溶液的粘度隨濃度的變化關系，發現添加無機鹽NaCl后，明膠溶液的c*和ce均有一定程度的降低。

2.粒子填充聚合物復合體系流變性能的測定

為了提高聚合物基體的力學性能和耐熱性，填充復合改性(在聚合物基體中填充無機納米粒子)是一種有效的方法。通過動態流變性能的測定，可以研究填充無機粒子的體積分數、形狀對復合體系的彈性、力學松弛時間和玻璃化轉變溫度等的影響。筆者帶著學生通過平板硫化機制備了一系列不同SiO2粒子含量的聚丙烯(PP)試樣，研究了復合體系在熔融溫度下的流變性能。

結果發現，松弛時間(τ)(定義為G'=G″時對應的角頻率的倒數)隨粒子填充含量的增加而增大，表明填充的無機納米粒子與聚合物分子鏈間存在相互作用，阻礙了分子鏈的運動，從而使得松弛時間增大。通過該實驗，學生掌握了平板硫化機制備圓片試樣的方法，認識無機粒子對聚合物基體的填充增強效應，為聚合物材料的復合改性打下了一定的基礎。

3.聚合物-膠體懸浮液的聚集穩定性表征

膠體懸浮液的聚集穩定性對于其實際應用至關重要，通過添加聚合物可以調控膠體粒子間的相互作用勢能，從而影響其聚集穩定性。

聚合物分子量對膠體粒子懸浮液的影響包括以下兩方面：①當分子量較低時，聚合物通過對膠體的吸附和空間位阻效應，阻礙粒子的聚集；②當分子量超過某一臨界值時，聚合物通過橋聯作用，加速粒子的聚集。

ShuR等通過選擇低分子量的聚乙二醇(PEG)，從而排除僑聯作用，然后研究PEG濃度對氧化石墨烯(GO)懸浮液流變性能的影響。

結果發現，增加PEG濃度，所有試樣均呈現彈性固體特征(G'基本不隨角頻率變化)，但其線性彈性模量G'p發生明顯變化(G'p的數值先減小后增大)。通過該實驗可使學生認識到，添加的聚合物濃度不同會導致復合體系微觀結構和宏觀力學性能不同。因此，聚合物的分子量和濃度對聚合物復合體系的流變特性有很大的影響。

4.物理凝膠化的流變表征

聚合物水凝膠是一類能迅速吸收并保持大量水分而又不溶于水的三維網絡結構材料，目前廣泛在藥物控釋、細胞培養和廢水處理等領域。聚合物的溶液-凝膠轉變，即凝膠化的研究對認識聚合物水凝膠的優異性能的微觀來源和制備過程均具有重要的指導意義。