高分子物理实验教学的应用范文

［摘要］

为了激发学生对高分子物理实验课程的积极性，提高大型仪器设备的利用率，拓宽学生的知识面，使学生在本科阶段接触到先进的仪器测试技术，我们将橡胶加工分析仪器用于高分子物理实验教学。本文介绍了橡胶加工分析仪的主要检测功能，并通过三种橡胶加工分析实验的设置阐述了橡胶加工分析仪的具体应用。该实验的设置可以使学生通过实验巩固高分子物理知识，分析橡胶加工分析实验中具体的高分子物理问题，更好地理解与掌握高分子基本理论。

［关键词］

橡胶加工分析仪；高分子物理实验；大型仪器；教学应用

仪器设备是高校实验室的主要技术装备，是高校实验教学、科学研究得以顺利进行的重要保障。大型仪器设备不但可以用于科研和研究生教学，也可以用于本科实验教学，为学生日后走上工作岗位提供实际锻炼的机会。［1］因此将大型仪器用于实验教学的改革与探索一直以来是各大高校实验室研究的方向。［2］橡胶加工分析仪是一种新型的动态力学流变仪，它不仅可以像硫化仪那样在一次试验中对胶料硫化前、硫化中和硫化后的黏弹性进行测量，而且可以在一定的频率、温度和应变范围内测定聚合物的动态性能。［3］橡胶的制备及加工工艺流程直接影响橡胶的质量及技术指标，各项性能的集成优化是提高橡胶产品综合性能的最佳手段。为激发学生对高分子物理实验课程的学习积极性，拓宽学生的知识面，提高大型仪器设备的利用率，我们在2013—2014及2014—2015学年的高分子物理实验课程中，将橡胶加工分析仪应用于本科实验教学，目的是让学生在本科阶段就接触到本学科的先进仪器设备，了解一些学科前沿知识，掌握先进的实验测试技术，激发学生对专业方向的认知，同时通过做实验，加深学生对高分子物理课程相关知识的理解。

一、橡胶加工分析仪的功能简介

实验所用橡胶加工分析仪为台湾高铁－RPA8000，如图1所示。RPA8000是一台集生胶检测、加工性能检测、流变特性检测和动态机械性能测试于一体的综合性测试仪器。RPA8000橡胶加工分析仪的测试方法包括硫化／变温硫化、频率扫描、应变扫描、温度扫描及应力松弛。此外，RPA8000还能给出胶料的弹性转矩（S′）、黏性转矩（S″）、损耗因子（tanδ）等数据，以及复合转矩（S＊）、弹性模量（G′）、黏性模量（G″）、复合模量（G＊）等数值。以上数据的分析可为胶料硫化条件的判定提供有力的依据。［3］

二、橡胶加工分析仪在高分子物理实验中的应用实例

（一）生胶的频率扫描测试频率扫描是指在应变和测试温度保持不变的条件下，考查胶料性能随频率的变化情况。为使学生了解不同胶料由于微观结构差异而导致的性能差异，我们设计了不同异戊二烯生胶的频率扫描实验。该实验固定应变角度为0．5°，测试温度为60℃，测试了频率为5、20、50、100、150、200、300、400、600、800cpm时的弹性模量（G′）。图2为样品弹性模量G′随频率f变化的关系图。由图2可以看出，在温度和应变一定的情况下，四种样品的弹性模量G′均随着频率的增加而增大，其初始值大致相同，但由于四种样品微观结构不同从而表现出不同的弹性模量。实际生产加工过程中常以频率的高低来表示加工速度的快慢，速度加快则加工性能变差。［4］也就是说胶料的弹性模量随着频率的增加而增大，表明在实际加工过程中G′随着加工速度的加快而增大，从而不利于加工。橡胶加工分析仪的频率扫描结果可以用来判断样品加工性能的好坏。该实验可使学生了解到，胶料微观结构不同会导致其力学性能不同，从而学生可以初步判定其加工性能。

（二）混炼胶的应变扫描及多次加工实验为使学生了解炭黑网络对橡胶的补强作用，我们设计了混炼胶应变扫描实验。该实验固定实验温度为60℃，实验频率为60cpm，应变角度分别为0．02°、0．05°、0．1°、0．2°、0．5°、1．0°、2．0°、5．0°、7．0°，一个样品进行两次扫描，以查看小应变和大应变下混炼胶弹性模量的变化。图3为混炼胶的两次应变扫描曲线。由图3可知，在温度与频率一定的情况下，混炼胶的弹性模量随应变的增加而减小，tanδ随着应变的增加而增大。此外，在第一次应变扫描时，混炼胶的弹性模量G′在小应变时较大，随着应变的进一步增大而明显降低。第二次应变扫描时混炼胶的弹性模量G′在低应变情况下远远低于第一次扫描值。这是因为混炼胶中形成的炭黑网络对橡胶的补强作用较强，由于胶料没有硫化交联，这种炭黑增强网络在大应变时很容易被破坏。而在第一次应变扫描时，低应变时炭黑增强网络没有破坏，因此弹性模量G′高，当应变继续增大时炭黑增强网络逐渐被破坏，G′明显降低并趋于一定值。随后的第二次应变扫描，由于原有的炭黑增强网络已被破坏而来不及恢复，因此在低应变时，G′要远远低于第一次应变扫描值。该实验可以让学生直观地认识到炭黑对橡胶的补强作用，同时亦能了解为固定这种补强作用而需要对橡胶进行硫化交联。

（三）SBS弹性体的温度扫描设置SBS弹性体温度扫描实验的目的是通过温度扫描查看SBS热塑性弹性体模量随温度的变化，以便让学生了解SBS为什么具有热塑性。温度扫描时固定频率和应变，改变温度条件，因此该实验设定扫描频率为10cpm，应变角度为0．5°，温度范围为60℃～130℃。图4为SBS弹性体的温度扫描曲线。由图4可见，SBS弹性体的弹性模量G′随着温度的增加而逐渐降低，而损耗角正切tanδ随着温度的增加在90℃附近有峰值出现，之后随着温度的进一步上升，tanδ逐渐明显增加。SBS是聚苯乙烯和聚丁二烯的三嵌段共聚物，由于聚苯乙烯的玻璃化转变温度在100℃左右，其在常温下能起到物理交联的作用，从而SBS表现出弹性体的性质。当进行温度扫描时，随着温度的升高，聚苯乙烯链段运动能力增强，在高于90℃时聚苯乙烯由玻璃态转变为高弹态，从而失去物理交联作用，此时SBS表现出未硫化橡胶的性质，G′明显降低且tanδ有极大值出现。之后温度进一步升高，达到聚合物黏流温度，tanδ剧烈增加。该实验可以让学生充分掌握SBS具有热塑性的理论知识，这一典型实例有助于学生深入分析聚合物材料分子结构与性能的关联规律。

三、结束语

在高分子物理实验教学中，我们通过“橡胶加工分析实验”使学生们了解了橡胶加工分析仪的基本结构及加工分析原理，掌握了仪器的基本操作、测试方法，并通过数据分析了实验中体现出来的高分子物理问题。两个学期的实践证明，该项实验的设置增加了学生对科学研究的兴趣，教学效果良好。

参考文献：

［1］王秀萍，张方．虚实结合扩大大型仪器设备对本科实验教学开放［J］．实验技术与管理，2014，31（4）：237－239．

［2］朱耕宇，陈雪萍．全面开放大型仪器支撑本科教学实验的改革［J］．化工高等教育，2009（2）：42－44．

［3］苏忠铁，刘淑梅，汪惠玲，等．RPA2000橡胶加工分析仪的检测功能［J］．橡胶工业，2002（4）：235－237．

［4］刘冬，王庆福，宋智彬，等．不同聚丁二烯橡胶RPA动态性能分析［J］．世界橡胶工业，2009，36（6）：19－24．

作者：唐萍 张春庆 单位：大连理工大学 化工环境生命学部化工学院高分子材料实验室