
現代材料科學對測量的需求早已超越了簡單的黏度測試。為了深入了解復雜流體、聚合物固化過程以及粉體顆粒在真實加工條件下的行為,研究人員必須能夠在多變的環境條件下,通過靈活可控的設置去評估不同形態不同環境刺激下的材料的特性。
TA儀器(TA Instruments)針對這一需求,為其Discovery 混合流變儀(DHR)平臺推出了一系列多功能、無摩擦的SmartSwap™快速更換附件。本文將深入探討其中三款專業模塊的工作原理及重要工業應用:粉體流變附件(Powder Rheology Accessory)、UV固化附件(UV Curing Accessory)以及流變-阻抗譜附件(Rheo-IS Accessory)。
粉體流變附件
(The Powder Rheology Accessory)
粉體附件將流變儀從“流體,半固體或者固體"測量拓寬至“干/濕顆粒體系"。粉體作為制藥、粉末涂料、食品及電池等領域的核心原料或半成品(如藥粉、面粉、電極粉體),其流動與力學行為直接影響工藝穩定性與產品質量。
粉體并非連續介質,其流動行為由顆粒間相互作用(范德華力、靜電力、液橋力)、顆粒形貌(球形/片狀/多孔),外部約束(壓力、濕度)以及溫度共同決定。
通過TA流變儀的粉體附件能夠全面分析粉體在存儲、運輸、分裝和加工過程中的行為。
工作原理
該附件利用DHR極其精確的扭矩分辨率和法向力傳感器,來測量粉體的流動性以及粉體的內聚力。根據不同的應用場景,粉體附件可以使用以下幾種不同的測試模塊進行測試。
首先,粉體附件包含兩種粉體池,分別為:
流動單元(Flow Cell):
一個經過優化設計的槳葉狀轉子在提前松散處理的粉體樣品柱中進行螺旋式運動。流變儀可同時得到旋轉扭矩和垂直法向力,從而計算出無約束(向上運動)和受約束(向下運動)狀態下的總流動能(Total Flowability Energy)。
剪切單元(Shear Cell-符合ASTM D7891標準):
將粉體在特定的法向應力下固結于鋸齒狀的樣品杯中,然后緩慢剪切直至粉體發生屈服。該測試可獲得內聚力(Cohesion)、無側限屈服強度(Unconfined Yield Strength)和流動函數等關鍵參數。


圖1左:剪切池;右:流動池

圖2 剪切池和剪切夾具
同時,配合流動池,使用壓縮夾具,可在漸進的法向應力下壓緊粉體柱以測量體積減小量,從而得到粉體的可壓縮性。配合剪切池,使固結后的粉體與可更換的動態平板(光滑或粗糙)互相摩擦,可以測試粉體的壁摩擦角(Wall Friction Angle)。
應用研究:通過粉體附件分析藥用輔料1
在藥物制劑開發中,輔料的選擇直接影響到粉體能否順暢地填充到壓片模具中。在本技術研究中,研究人員使用配備粉體剪切單元附件的DHR流變儀,在相同的固結法向應力下,對兩種常見結構級別的乳糖(研磨乳糖與噴霧干燥乳糖)進行了評估。

圖3 研磨級和噴霧干燥級乳糖在15Kpa下剪切對比
結果說明:
測試數據清晰地區分了這兩種材料的加工性能指標。研磨乳糖的內聚力值比噴霧干燥乳糖高出一個數量級,導致其無約束屈服強度高達4.24kPa。這在量化指標上意味著該材料在工業料斗中具有很高的“架橋"或“鼠洞"堵塞風險。相反,噴霧干燥乳糖表現為流動性很好的自由流動粉末,內聚力幾乎可以忽略不計(0.10kPa),證明它是高產速、自動化壓片生產線的更優選擇。
UV 固化附件
(The UV Curing Accessory)
許多現代工業涂料、油墨和粘合劑都依賴于光聚合反應——即液體單體在接受光照后,在不到一秒的時間內迅速交聯成堅硬的聚合物。捕捉這種極快的相變過程需要很高的流變數據采樣速度和專業的光源系統。
工作原理
TA儀器UV固化附件 將光輻射直接投射到夾在平行板之間的樣品上,同時流變儀會以很高的靈敏度持續追蹤材料黏彈性特性的變化,如儲能模量G'、損耗模量G"和復數粘度η*。這主要通過以下兩種光路配置實現:
光導管系統(Light Guide System):
采用反射鏡組件,將外部高壓汞燈產生的寬波長光譜(220nm至 600nm)引入并聚焦至樣品。
LED組件(LED Assembly):
采用自包含的固態發光二極管陣列,產生高強度、窄帶的單一波長(通常365nm或455nm),直接穿透高透明度的石英或亞克力底板照射樣品。
流變儀軟件在觸發光脈沖開啟的同時,以很高的采點速度率記錄流變數據,從而精準捕獲模量交點(即G'= G''的位置),該交點標志著材料由類流體向類固態轉變的臨界點。
應用研究:壓敏膠(PSA)的光強依賴性研究
在電子產品或醫療膠帶的生產線開發中,工藝工程師必須平衡UV燈的功率輸出與產線流水速度。在本研究中,一種丙烯酸樹脂基的壓敏粘合劑(PSA)樣品被保持在25°C的恒溫下,并暴露于不同強度的365nmLED光照中,以追蹤其實時交聯速度。

結果說明:
實驗結果表明,PSA的固化過程對于光照強度非常敏感。將光照強度從50mW/cm2提高到150mW/cm2會急劇加速化學反應動力學,使反應誘導期急速縮短。模量交點時間(材料正式從流動的液體轉變為固體網絡的時間)也大幅縮短。
流變-阻抗譜附件
(The Rheo-Impedance Spectroscopy Accessory)
流變-阻抗譜(Rheo-IS)附件代表了電化學與結構表征領域的重大突破。它實現了在同一時間內,對材料的宏觀流動行為與其微觀電化學/介電響應的同步測量。
工作原理
TA儀器Rheo-IS附件將流變儀的機械測試能力與外部高精度LCR表結合。為了不犧牲流變儀極其敏銳的微觀力矩感應,該模塊采用了創新的無摩擦設計:
所有的導電電極均直接集成在下方的靜止底板上。
帶有絕緣層的上平行板轉子則充當被動的上部導體。
由于摒棄了在旋轉的上部轉子上懸掛物理導線或安裝電刷等傳統做法,DHR流變儀得以完整保留其低至0.3nN·m的極限扭矩靈敏度。當流變儀通過剪切或振蕩改變并追蹤樣品的物理結構時,外接LCR表會以掃頻形式(最高可達8MHz)向材料施加交流電信號。系統隨后記錄復數阻抗Z*,并通過以下公式分離出電阻(R,阻礙電流流動的分量)和電抗(X,電容/電感分量):
Z = R + jX
這使研究人員能夠實時繪制內部微觀結構演變與導電通路形成的動態圖譜。


圖4 Rheo-IS測量系統簡圖
應用研究:磷酸鐵鋰LiFePO4正極漿料中碳納米管(CNT)的添加效應2
在鋰離子電池工業中,磷酸鐵鋰LiFePO4正極材料本身的電子導電率較低,因此必須引入高長徑比的碳納米管(CNTs)來構筑導電網絡。然而,CNT的添加量并非越多越好,其含量對漿料的宏觀物理性能與微觀電性能有著決定性的雙向影響。
利用流變-阻抗譜(Rheo-IS)技術,可以清晰地揭示以下核心物理規律:
精準捕捉電學滲透閾值(Percolation Threshold):
隨著漿料中CNT含量的逐漸增加,其電化學阻抗(Impedance)并非線性下降,而是會表現出斷崖式的突變。在未達到臨界濃度前,阻抗很高;一旦CNT含量跨過特定的臨界點(即滲透閾值),納米管在空間中成功實現了互相搭接,構筑出連續的電子傳輸通道,此時阻抗會瞬間暴跌數個數量級。
電學與流變性能的物理博弈:
報告展示了一個核心的工藝矛盾——持續增加CNT含量雖然能進一步降低阻抗,但長徑比很高的納米管也會在三維空間中劇烈纏繞,導致漿料的宏觀黏度和儲能模量(G')出現急速上升。如果黏度過高,漿料在后續的工業slot-die(狹縫式模頭)高剪切涂布工藝中就會變得極難加工,甚至導致電極涂層厚度不均。

圖5 不同碳納米管含量在0.01/s下Nyquist圖

圖6 不同碳納米管含量下的漿料黏流曲線
結果說明:
借助流變-阻抗(Rheo-IS)技術,研究人員得以雙向定量評估新型納米添加劑的優劣。測試表明,盡管改用碳納米管(CNT)后,由于納米管在線下的相互纏繞和空間排布,導致漿料的宏觀黏度顯著上升,這意味著靜態下防沉降穩定性更佳;但與此同時,其微觀阻抗產生了斷崖式下跌。
除了碳納米管的添加量研究,阻抗附件還可以用于漿料分散均勻性研究,這些研究對于提升電池后續的倍率充放電性能具有決定性的意義。
結論
通過將化學結構演變、電化學行為以及粉體流變學直接集成到傳統的流變測試中,TA儀器成功將流變儀從單一的黏度及黏彈性測試儀轉變為多維度一體化的分析工作站。無論是應對具有挑戰性的粉體材料、追蹤毫秒級的快速UV光固化反應,還是優化下一代電動汽車鋰電池漿料的配方,這些附件都能夠助力科學家優化加工工藝條件以及配方研發。

引用文獻
1.
TA Instruments Application Note RH123 Powder Rheology of Lactose: Impacts of powder morphology on performance of pharmaceutical excipients
2.
TA Instruments Application Note RH139 Rheo-Impedance Measurements in Li-Ion Battery Research: Additive Effect of Carbon Nanotubes in LiFePO4 Cathode
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