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、向測量系統進樣、測量系統定位以及后續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，例如研究靜置狀態下的樣品結構以評估樣品穩定性，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，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。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）總是與測量系統的規格有關，因為變量值取決于樣品與測量系統的接觸面尺寸。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，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，那么可以通過去除多余的樣品的方式保證較好進樣量。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快要達到測量位置前自動停止。現在，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進樣的較好方式。通過整理樣品保證測量系統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會自動鎖定，因而可以避免整理樣品期間系統意外移動（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。

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降到測量位置。此速度可以在軟件的控制面板中設置（圖 2）。

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“蒸發阻斷器”，將樣品區域密封起來，使其與工作環境隔離。樣品區域可以形成相應溶劑的飽和環境。

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

圖 3：在 35 ℃ 時使用和不使用蒸發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中測量，因為使用圓筒系統，干燥表面對測量的影響極小。

能夠與空氣中氧氣發生化學反應的物質應在充滿氮氣的惰性氣氛中測量。