旋轉(zhuǎn)流變儀-旋轉(zhuǎn)流變儀類型的對比

鑠思百檢測可提供流變儀測試服務(wù)。旋轉(zhuǎn)流變儀通過驅(qū)動一對夾具沿圓周方向的相對運動來實現(xiàn)夾于其中的被測物質(zhì)的流動和變形從而進(jìn)行流變測量。施加與測量的具體實施方法有兩種：1）施加應(yīng)變（角位移）或應(yīng)變速率（角速率）刺激，測量響應(yīng)的應(yīng)力（扭矩），這種技術(shù)早期被稱為應(yīng)變控制型（Controlled Strain, CR）；2）施加應(yīng)力（扭矩）刺激，測量響應(yīng)的應(yīng)變（角位移）或應(yīng)變速率（角速率），這種技術(shù)早期被稱為應(yīng)力控制型（Controlled Stress, CS）。上述兩種流變儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)流變儀結(jié)構(gòu)設(shè)計（左為CR型，右為CS型）

CR型旋轉(zhuǎn)流變儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點是驅(qū)動電機與扭矩傳感器分離各自獨立（Separate Motor & Transducer, SMT），樣品的流動或變形刺激由驅(qū)動電機施加，而樣品的應(yīng)力響應(yīng)則由扭矩傳感器量測。在CR型流變儀上，刺激施加和響應(yīng)量測是分別在兩個夾具側(cè)實現(xiàn)，因此，又被稱為雙頭（Double Heads, DH）流變儀。CR型旋轉(zhuǎn)流變儀的原生測試模式工作原理如圖2左圖所示。

圖2 CR型（左）與CS型（右）原生測試模式工作原理

CS型旋轉(zhuǎn)流變儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點是驅(qū)動電機兼任扭矩傳感器（Combined Motor & Transducer, CMT），樣品的流動或變形刺激由驅(qū)動電機施加，同時將驅(qū)動電機的工作扭矩扣除軸承摩擦矩和轉(zhuǎn)動慣性矩后當(dāng)作“量測”的樣品扭矩。在CS型流變儀上，刺激施加和響應(yīng)量測是在同一個夾具側(cè)實現(xiàn)，因此，又被稱為單頭（Single Head, SH）流變儀。CS型旋轉(zhuǎn)流變儀的原生測試模式工作原理如圖2右圖所示。

在儀器設(shè)計的早期，CR型流變儀只能執(zhí)行控應(yīng)變和控剪切速率測試，而CS型流變儀只能執(zhí)行控應(yīng)力測試?，F(xiàn)代旋轉(zhuǎn)流變儀得益于“反饋-控制”的飛速發(fā)展，在進(jìn)行可以達(dá)到平衡態(tài)的測試（如穩(wěn)態(tài)速率掃描、振蕩測試等）時，CR旋轉(zhuǎn)流變儀與CS旋轉(zhuǎn)流變儀在一定程度上是等效的，即控應(yīng)變模式與控應(yīng)力模式可以互換且基本不影響測量結(jié)果。兩種儀器在非原生測試模式下的工作原理如圖3所示。

圖3 CR型（左）與CS型（右）非原生測試模式工作原理

但由于二者結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理存在根本不同，在進(jìn)行瞬態(tài)測試（如階躍應(yīng)變、階躍速率、階躍應(yīng)力和大振幅振蕩等）時兩種儀器的測試結(jié)果會存在較大差別。

在CS旋轉(zhuǎn)流變儀上進(jìn)行瞬態(tài)測試時，系統(tǒng)（轉(zhuǎn)子和夾具）轉(zhuǎn)動慣量和軸承摩擦是避不開的，這在一定程度上會影響測量結(jié)果的可靠性，因此，進(jìn)行瞬態(tài)測試前，校準(zhǔn)電機轉(zhuǎn)子和測量夾具的慣量和軸承摩擦是十分必要的。

系統(tǒng)慣量的客觀存在使得瞬態(tài)測試時很難正確捕捉到樣品的短時響應(yīng)特征，即便是CS旋轉(zhuǎn)流變優(yōu)勢項目——階躍應(yīng)力（蠕變）測試中也是如此。

系統(tǒng)慣量還造成CS旋轉(zhuǎn)流變儀的應(yīng)變速率切換時間較長，在控應(yīng)變速率模式的瞬態(tài)測試中很難捕捉到正確的瞬時響應(yīng)；而在進(jìn)行控應(yīng)變速率模式的穩(wěn)態(tài)測量時需要更長的采點時間以保證測量結(jié)果可靠，從而導(dǎo)致總測試時間延長。

在CS旋轉(zhuǎn)流變儀上進(jìn)行動態(tài)振蕩測試時，要對原始量進(jìn)行校正（扣除軸承摩擦和系統(tǒng)慣量效應(yīng)）才能得到樣品的黏彈響應(yīng)，由于慣量效應(yīng)（噪音項）正比于測試頻率的平方，這在一定程度上限制了實際有效的測試頻率上限。

CR旋轉(zhuǎn)流變儀的應(yīng)變或應(yīng)變速率的切換時間較短，在控應(yīng)變模式和控應(yīng)變速率模式上仍具有很大優(yōu)勢。

但在CR旋轉(zhuǎn)流變儀上進(jìn)行控制應(yīng)力模式的測試時，由于樣品的響應(yīng)被耦合到“反饋-控制”程序中，因此，在最終測試前要先對樣品的響應(yīng)特征進(jìn)行預(yù)測得到樣品的控制因數(shù)，從而使得總的測試時間會有所增加。

兩類旋轉(zhuǎn)流變儀的主要差異對比列于表1。

表1 CR和CS簡明對比

注：閉路控制中流動和變形的施加只取決于儀器性能；開路控制中流動和變形的施加不僅取決于儀器性能，還依賴于樣品黏彈性能。