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        Joe Flow的流變學小課堂②

        Joe Flow的流變學小課堂②
        安東帕  2019-11-18  |  閱讀:1182

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        流變測量中樣品準備的重要性和建議
        樣品準備:搖動或攪拌?

        今天,我們談談樣品準備在流變測量中的重要性和影響,另外,我會提供一些有用的建議,說明如何準備敏感樣品以獲得正確且可再現的測量結果。

        樣品準備包括從容器中取出樣品、搖動或攪拌樣品、向測量系統(tǒng)進樣、測量系統(tǒng)定位以及后續(xù)的等待時間或者開始實際測量之前的預剪切。

        這些樣品準備步驟對流變測量結果具有極大影響,具體取決于樣品的特性。因此,每次測量時應始終以同樣方式準備樣品。這樣可以提高測量數據的再現性,即使有多個不同的人操作流變儀。

        通常,樣品準備對剪切速率高于10 1/s 的測量影響甚微。不過,在低剪切速率或振蕩模式下進行測量時,例如研究靜置狀態(tài)下的樣品結構以評估樣品穩(wěn)定性,樣品準備則顯得尤為重要。有鑒于此,接下來我將詳細介紹樣品準備流程中的各個步驟。

        1.搖動和攪拌

        搖動或攪拌樣品會使樣品處于相當大且不明確的剪切負荷狀態(tài),因此,盡量不要搖動或攪拌樣品。不過,對于會分散或沉淀的樣品,則必須搖動或攪拌,才能正確地測量。

        每次測量時應以同樣的方式搖動或攪拌樣品,例如使用同一工具,搖動或攪拌相同的時間。例如,測量PVC塑料溶膠時,首先應去除最上面的一層溶膠,因為增塑劑通常會聚積在這一層,而且表面的樣品可能會變干。

        2.進樣

        所有操作人員應使用相同工具從容器中取出樣品和進樣。最適合的工具是實驗室調羹或抹刀。另外,也可以直接從容器中倒出樣品,具體取決于樣品屬性。要從帶有小孔的管或容器中取出樣品,可以將管或容器割開。通過小孔擠出樣品會導致不必要的剪切負荷,可能會破壞靜置狀態(tài)下的樣品結構。              

        同理,吸液管或注射筒也不宜用于進樣。它們僅能用于油樹脂或溶劑。對于所有其他物質,高剪切負荷會導致測量值低因而會導致測量結果錯誤。                                             

        通常,應始終確保樣品中沒有泡,因為氣泡會嚴重影響測量值的準確度。對于流動曲線,樣品中存在氣泡可能會導致在低剪切區(qū)出現虛假的非牛頓行為,而且在振蕩測量中,它可能會表現出虛假的彈性特征。


        3.進樣量

        流變參數的測量結果(例如黏度)總是與測量系統(tǒng)的規(guī)格有關,因為變量值取決于樣品與測量系統(tǒng)的接觸面尺寸。樣品過多或過少都會導致測量誤差。

        如果使用的是圓筒測量系統(tǒng),進樣量小幅變動對測量幾乎沒有影響。量杯上有進樣液位標記。應將此標記作為參考標準。樣品必須始終高于內圓筒的上邊緣。

        如果使用的是錐/平板和平行板系統(tǒng),那么可以通過去除多余的樣品的方式保證最佳進樣量。為此,可以先在下板上稍微多加一些樣品,然后讓測量轉子開始向測量位置下降。MCR 系列流變儀會在測量系統(tǒng)快要達到測量位置前自動停止?,F在,需要整理樣品:使用抹刀直角邊清除多余的樣品。

        然后,再使流變儀轉子繼續(xù)降至測量位置,仍會擠出少量樣品。實踐證明,此程序是向測量系統(tǒng)進樣的最佳方式。通過整理樣品保證測量系統(tǒng)中有準確且重復可靠的樣品量。

        在軟件中,測量開始之前測量系統(tǒng)會自動鎖定,因而可以避免整理樣品期間系統(tǒng)意外移動(請參見圖 2),因為這會給樣品產品不明確的額外剪切。如果流變儀沒有自動鎖定測量系統(tǒng)的功能,您可以通過升級軟件/韌件使流變儀具備這項實用功能。

        4.等待時間、預剪切和其他重要問題

        即使是在最仔細的樣品準備過程中,樣品中也會存在一定的內應力。樣品只能在經過一定的時間后才能從此內應力中恢復。如果在測量的開始階段發(fā)現低剪切速率或振蕩測量條件下的測量值逐漸增高,可能表明測量系統(tǒng)定位后樣品的結構需要重新恢復。測量值增高的另一原因可能是樣品表面已干燥。固化反應屬于特殊情況。存在固化反應現象時,測量可以立即開始,無需等待,因此,一開始即可觀察到固化反應過程。

        如果要測量的物質在進樣后需要一定的時間才能恢復,可以在軟件的“開始”對話框中設置等待時間。這樣就無需用秒表計算等待時間了,每次測量會在經過相同的等待時間之后自動開始。您可以用預測試實驗確定需要等待的時長,如圖1所示。您可以記錄在恒定的測量條件(振蕩頻率和線性粘彈區(qū)內的形變,或者旋轉測試中的低剪切速率,例如 0.1 1/s)下長時間測量過程中樣品的行為。然后,就可以看出在樣品性能變化達到很小、足以開始“真正的”測量之前需要花費多長的時間。

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        圖 1:油漆樣品的結構恢復過程

        根據圖 1 中的測量結果,油漆需要等待約1分鐘,色漿至少需要等待15分鐘。在這段等待時間內,樣品溫度也控制穩(wěn)定了(請參閱“Joe Flow 流變學小課堂1:溫度控制”)。

        如果樣品非常敏感,可以緩慢地將測量系統(tǒng)降到測量位置。此速度可以在軟件的控制面板中設置(圖 2)。


        Joe Flow 的流變學測試技巧和建議之二(2):樣品準備.jpg

        圖 2:間隙設置參數和降至測量位置的運動程序

        1) 測量系統(tǒng)降至測量位置時自動鎖定

        2) 達到清理樣品的位置后,提示用戶清理樣品,測量系統(tǒng)仍保持鎖定,直至測試程序開始

        3) 移動速度可以單獨設置

        必須避免樣品表面干燥,否則測量值將會過高。倘若樣品和工作環(huán)境允許,振蕩測量開始前,可以先在樣品外邊緣涂抹一層黏度很低的油。另一種方法是使用“蒸發(fā)阻斷器”,將樣品區(qū)域密封起來,使其與工作環(huán)境隔離。樣品區(qū)域可以形成相應溶劑的飽和環(huán)境。

        圖 3 顯示使用和不使用蒸發(fā)阻斷器情況下執(zhí)行的兩次測量。不使用蒸發(fā)阻斷器時,樣品逐漸干燥導致測量結果中所顯示的模量逐漸增加。使用蒸發(fā)阻斷器時,模量保持恒定不變。

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        圖 3:在 35 ℃ 時使用和不使用蒸發(fā)阻斷器的振蕩測試對比


        能夠快速干燥的液體樣品應在圓筒測量系統(tǒng)中測量,因為使用圓筒系統(tǒng),干燥表面對測量的影響極小。

        能夠與空氣中氧氣發(fā)生化學反應的物質應在充滿氮氣的惰性氣氛中測量。

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