流变仪测试用于表征材料在受力条件下的流动与形变特性,广泛应用于高分子、涂料、食品、日化等领域。不少操作人员在使用流变仪时,频繁遇到测试曲线异常、数据重复性差、测试中途样品溢出或者断裂等现象,排查仪器硬件参数、测试程序之后,依旧找不到问题根源。很多时候测试失败的原因不在于仪器设置,而是前期样品制备环节存在缺陷。样品是测试的基础,样品状态不符合测试要求,再好的仪器参数也无法得到可靠流变数据。
样品制备首先要关注样品均一性。很多材料是多组分体系,存在粉体分散、乳液悬浮、填料沉降等现象。静置存放过程中,密度不同的组分发生分层,下层富集重质填料,上层为连续相基质。取样时如果只从表层或者底部单点取样,取出的样品组分和材料本体不一致,同批次多次取样,组分差异大,测试结果离散。取样前需要按照材料特性做均质处理,充分搅拌,让分散相均匀分布在体系内,同时避免搅拌过程引入大量气泡。搅拌力度与时长需要控制,部分材料受到剪切作用会发生结构破坏,改变流变特性,过度搅拌会带来额外剪切历史,影响最终测试结果。
其次是样品温度平衡。流变特性对温度十分敏感,材料粘度、弹性模量会随温度发生明显变化。取样之后样品温度和设定测试温度存在温差,直接上样测试,样品在测试腔内部逐步升温或者降温,测试过程中样品状态持续改变,曲线出现漂移。上样后需要预留足够恒温静置时间,让样品整体达到目标温度。不同导热能力的材料,恒温时间不同,厚样品、导热差的材料需要更长平衡时间。同时需要避免恒温阶段样品发生挥发、固化或者结晶,部分低沸点组分在高温下挥发,样品组分改变;可结晶材料在温度变化过程中发生晶型转变,流变行为随之改变,都会造成测试失败。

第三,样品装填与气泡控制。样品内部存在气泡,是流变测试常见问题。气泡属于软缺陷,受力时气泡优先形变,会干扰真实的材料形变响应,模量、粘度测试结果偏低,曲线出现不规则毛刺。粘稠样品搅拌、转移、刮样过程中容易裹挟空气,装样之后肉眼难以观察微小气泡。样品装填量也需要严格控制,样品过少,上下测试夹具之间没有被全填满,产生间隙;样品过多,在夹具合拢时大量样品被挤出,边缘样品出现剪切流失,样品厚度不稳定,平行样之间厚度不一致,数据没有可比性。装填时控制样品量,缓慢放置样品,尽量减少气泡带入,夹具闭合之后,仔细修整边缘多余样品,保证测试区域无气泡,样品厚度统一。
第四,样品剪切历史控制。很多粘弹性材料具备时间依赖性,过往受到的剪切作用会改变内部微观网络结构。材料在泵送、搅拌、倾倒过程中受到剪切,内部结构被破坏,放置一段时间结构逐步恢复。如果取样之后立刻上样测试,样品携带前序剪切历史,测试得到的不是材料静置状态下的流变参数。针对这类材料,样品制备完成后需要设置静置恢复期,让内部结构完成重建。恢复期时长根据材料特性调整,恢复期不足,结构没有复原,平行样结果差异大;静置时间过长,部分材料出现沉降、老化,同样影响测试。
第五,样品稳定性与预处理适配。部分样品容易挥发、氧化、固化,在样品制备和等待测试期间发生变化。挥发性材料裸露放置,溶剂不断散失,样品浓度持续升高,粘度逐步变大;易氧化材料接触空气后发生交联,变硬变脆。这类样品需要做好隔离防护,缩短从制备到开始测试的间隔时间。还有一些固体类样品,需要裁剪、压片,样品表面粗糙、厚度不均,夹具夹持后受力不均匀,测试时从缺陷位置断裂。制样时保证样品表面平整,厚度均匀,消除表面裂纹、孔洞等缺陷。
完成样品制备之后,还需要做好平行样管控。同一批次测试,多个平行样品的取样方式、均质操作、恒温时间、装样手法保持统一,减少人为操作带来的差异。很多测试人员将精力集中在仪器程序编辑,忽略制样标准化操作,反复出现测试失败。建立标准化样品制备流程,明确取样、均质、除泡、恒温、装样每一步操作规范,记录制样条件,减少样品状态波动。
流变测试得到的数据,反映的是当前样品状态下的材料特性。仪器只能采集样品的响应信号,无法修正样品本身带来的缺陷。规范样品制备,控制样品组分、温度、气泡、剪切历史与稳定性,消除制样环节带来的干扰,才能减少测试中断、曲线异常、平行性差等问题,获取重复性好、可以反映材料真实流变行为的测试数据。