旋轉流變儀是當今較為通用的流變測定工具，可針對多種不同的流變測量方法進行配置，以探測懸浮體的構造和性能。從生成材料在數十種扭矩下的簡單黏性流動曲線（黏度與剪切力曲線圖）到測量屈服應力，再到用于模擬食物咀嚼過程的序列，旋轉流變儀可用于多種測試類型。

1. 旋轉流變儀的工作原理

旋轉流變儀在兩個測量板或其他相似的幾何形狀板（如錐板或杯和轉子系統）之間加載樣品。當在上平板施加一個扭矩時，就會在材料上產生一個旋轉剪切應力，并測得所形成的應變或應變速率（切變速率）。

旋轉流變儀

國高材分析測試中心配備高壓毛細管流變儀、旋轉流變儀、轉矩流變儀、PVT等設備，可精確測量熔體黏度、彈性模量、流動曲線等參數，指導材料配方設計、加工條件優化及新產品開發，助力高性能高分子材料的研發與應用。

旋轉流變儀與黏度計的工作原理相同，但前者的功能要強大得多。其中最為顯著的就是前者在施加剪切應力時精度更高、范圍更廣；前者擁有振蕩測試功能，以及在旋轉試驗過程中，對所施加的向力的控制度更高。

旋轉流變儀可用于測量從膏狀物、凝膠到構造弱的液體在內的多種樣品類型。即使在剪切應力極低的區域，仍能夠控制所施加的剪切力，因此這些儀器適合執行穩定性研究以及測量屈服應力。不過，旋轉流變儀針對數十種扭矩下的使用情形進行了優化，而未針對區分低黏度弱構造流體的黏度進行優化。

此外，當切變速率超過 1000s^-1 時，旋轉流變儀會在高剪切區面臨機械約束。借助這些先進復雜的儀器，可以確保測試方法與產品的特定加工流程或使用環境密切匹配。內置的創新軟件非常有用，即使剛入門的流變學家也能夠生成并解讀數據。

旋轉流變儀的主要夾具類型

在一定的時間或溫度程序下，沿一定方向、或按一定振蕩頻率，在可控的剪切速率/應力/應變振幅下，進行旋轉剪切測量，獲取黏度、模量/柔量、損耗角等參數，及其隨剪切速率/剪切應力/頻率/振幅/時間/溫度的變化。

旋轉流變儀的應用范圍

旋轉流變儀是材料領域應用最廣泛的流變測量儀器，可以研究從低黏度流體到高強度固體樣品的流動和變形特性。它采用對樣品施加強制穩態速率載荷、穩態應力載荷、動態正弦周期應變載荷或動態正弦周期應力載荷的方式，觀測樣品對所施加載荷的響應數據；通過測量剪切速率、剪切應力、振蕩頻率、應力應變振幅等流變數據，計算樣品的黏度、儲能模量、損耗模量、tanδ 等流變學參數。

常用于測定聚合物熔體、聚合物溶液、懸浮液、乳液、涂料、油墨和食品等材料的流變性質的儀器有旋轉流變儀、毛細管流變儀、轉矩流變儀和界面流變儀。

01

評價聚合物力學性能

魯汶大學 J.-F. Gohy 通過旋轉剪切流變儀評估了 POEG₉MA 均聚物和 PS-b-POEG₉MA-嵌段共聚物的機械性能。

純 POEG₉MA 的線性黏彈性響應的頻率依賴性表明，該材料表現為自由流動的牛頓流體。摻雜鹽的存在基本上抑制了鏈的運動，從而抑制了材料的最終弛豫。后者仍然表現為未糾纏的流體，由于內部摩擦，通過流體動力學和熵效應具有黏彈性響應。

反過來，PS-b-POEG₉MA 系統在高剪切頻率下也呈現出 POEG9MA 鏈的特征性短距離弛豫，表現為熱塑性彈性體，在 Li+ 摻雜時具有相對較低的機械性能變化。 

機械性能測試結果。POEG₉MA(a)、PS-b-POEG₉MA(b) 的線性動態黏彈性響應的頻率依賴性；c：摻雜 1/15 當量 LiClO4 的 PS-b、PS-POEG₉MA 的應變曲線的頻率應力

02

表征漿狀體的整體流變行為

巴西圣保羅大學 Rafael G. Pileggi 團隊利用旋轉流變儀表征漿狀體的整體流變行為。

結果顯示，屈服應力和塑性黏度都隨著擠壓速度而降低，并且 5min 和 35min 的曲線實際上彼此平行。在 750μm/s 下（τ_{0_750}和μ_{_750}）獲得了相對屈服應力（τ_{0_v}/τ_{0_750}）和相對塑性黏度（μ_{_v}/μ_{_750}）的值。

結果表明，低速加載的樣品的屈服應力值比 750μm/s 加載的漿料的屈服應力值高出 30%–50%。塑性黏度的相應值在 40–65% 的范圍內。

這些結果表明，如果在漿狀物加載過程中施加緩慢的擠壓速度，這兩個流變參數都可能被顯著高估，因為測量值實際上是具有比原始組合物更低的 w/c 比的漿狀物。 

a、b：屈服應力；c、d：塑性黏度；e：相對屈服應力；f：相對塑性黏度

03

研究復合水凝膠的流變性能

聊城大學韓軍團隊通過流變學實驗，研究了彈性模量和黏性模量隨剪切速率、應變、頻率、溫度、交替振蕩和剪切應力的變化。所得數據表明，該復合水凝膠具有許多理想的可調性能。

因此，通過優化組合物設計，可以獲得具有良好的彈性性能、剪切細化行為、自恢復能力和蠕變性能不同的首選樣品。 

樣品的應變掃描曲線以及剪應力和黏度隨剪切速率變化圖

04

測試瀝青材料的高溫性能和黏度

長沙理工大學劉朝輝教授團隊在旋轉模式下進行了溫度掃描測試，剪切頻率為 10rad/s，測試溫度范圍為 50-170℃。

四種瀝青材料的黏度-溫度測試結果顯示，所有瀝青樣品的黏度都隨著溫度的升高而降低。但 AR 和 SBS 改性瀝青的黏度普遍高于基質瀝青，這意味著膠粉和 SBS 聚合物可以提高瀝青的黏度。

瀝青樣品在 60、135 和 160℃ 下的黏度列于表中，以表示瀝青路面在夏季的熱穩定性和評估瀝青材料的施工性能。在 60℃時，AR 的黏度比基質瀝青的黏度高出許多倍，這意味著 AR 具有更好的高溫性能和更好的黏合能力。SBS 聚合物改性瀝青在 60℃ 時的黏度也很高。但 AR 在 135℃ 時的黏度大于 3Pa·s，這可能導致施工困難。

相比之下，SBS 聚合物改性瀝青在 60℃ 時具有高黏度，在 135℃ 時具有低黏度（1.41Pa·s），使其易于噴涂，是用于噴涂夾層的理想瀝青材料。    

黏度測試結果