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流變測量中溫度控制的重要性和建議 

溫度控制：加熱和冷卻

“今天，我想跟大家談?wù)劀囟瓤刂圃诹髯儨y量中的重要性。要了解溫度對樣品流變特性的影響程度，只需測試同一個(gè)校準(zhǔn)過的標(biāo)準(zhǔn)樣品在不同溫度下的粘度值就可以了。即使兩次測量之間溫度僅相差 1 ℃，都會導(dǎo)致 7 % 的粘度值變化。因此，地溫度控制極其重要。”

01

哪種溫控設(shè)備適合哪個(gè)溫度范圍？

市場上的溫控設(shè)備可謂五花八門，品種齊全，具體選擇何種溫控設(shè)備，應(yīng)視測量的溫度范圍和樣品類型而定。

目前，標(biāo)準(zhǔn)溫控設(shè)備通常采用帕爾貼元件，配合使用適當(dāng)溫度的循環(huán)介質(zhì)，工作溫度范圍可達(dá)到 -40 ℃ 至 +200 ℃。

   表 1 中所建議的溫度適用于恒溫測量，如果在變溫實(shí)驗(yàn)中部分  

溫度超出所建議的溫度范圍，可能需要調(diào)整恒溫循環(huán)器的溫度。如果恒溫循環(huán)器能夠與流變儀聯(lián)用，則可通過軟件輕松調(diào)整恒溫循環(huán)器的溫度。良好的恒溫循環(huán)器可以延長帕爾貼元件的使用壽命。

帕爾貼元件的加熱速率每分鐘可高達(dá) 60 °C，可以通過熱電效應(yīng)快速準(zhǔn)確地加熱和冷卻樣品。不僅加熱速度快，更重要的是，還可確保樣品在時(shí)間內(nèi)達(dá)到相應(yīng)的溫度。

另一種溫控方法是使用循環(huán)液體溫控系統(tǒng)。液體溫控系統(tǒng)特別適合室溫條件下的測量，不過，其工作溫度范圍也可達(dá)到-20 °C 至 +180 °C，具體范圍取決于所使用的液體和恒溫器的性能。這種方法變溫實(shí)驗(yàn)的大加熱速率約為 1 ℃/min。

對于需要在高溫下測量的樣品，可以選擇以下系統(tǒng)：

• 電加熱控溫板與電加熱罩聯(lián)用，可以獲得很高的加熱速率，溫度至高可達(dá) 400 °C。

• 對流加熱系統(tǒng)，可以獲得更高的溫度，可達(dá)1000°C（請參見圖 1）

這兩種系統(tǒng)都可以使用液氮將溫度冷卻到 -150 °C，因而能夠測定各種塑料及其他樣品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 (Tg)。

圖 1：CTD 1000 控溫系統(tǒng)（在 1000 ℃ 時(shí)打開）

對流加熱系統(tǒng)是封閉式系統(tǒng)，可以通過冷熱氣流控制溫度。盡管系統(tǒng)內(nèi)部的測量溫度非常高，但系統(tǒng)外部的隔溫罩通過水冷卻，不戴手套即可觸摸。

新流變儀系統(tǒng) FRS1600 可以測量溫度高達(dá) 1600 ℃ 的玻璃熔體或金屬熔體。

02

設(shè)置溫度時(shí)需要考慮哪些因素？

很多產(chǎn)品對溫度的依賴性都很大，這種特性可以通過溫度掃描實(shí)驗(yàn)確定。溫度掃描可以在樣品線性粘彈區(qū)域內(nèi)以振蕩模式進(jìn)行測量。測量時(shí)應(yīng)保持 0.5 至 2 °C/min 的恒定加熱速率。在此加熱速下，大多數(shù)樣品都有足夠時(shí)間根據(jù)溫度變化予以響應(yīng)。

溫度掃描測量時(shí)，必須用控溫上罩與加熱底板聯(lián)用的方式控溫，這樣可以確保樣品中實(shí)現(xiàn)真正無梯度的溫度分布。溫度掃描測量時(shí)還應(yīng)保持通入恒定流量的干燥空氣，以免溫度低于 0℃ 時(shí)樣品周圍結(jié)冰。（請參見圖 2）

如果測量時(shí)不使用溫控上罩，那么當(dāng)溫度高于室溫 10 ℃ 或低于室溫時(shí)樣品中會存在明顯溫度梯度（請參見圖 3）。

圖2 控溫上罩

圖3 不使用溫控上罩

溫度掃描測量期間測量轉(zhuǎn)子（錐形、平板）和測量下板都會膨脹，因而應(yīng)始終將在溫度掃描范圍的中間溫度進(jìn)行零間隙校正。這可以避免測試結(jié)束時(shí)的間隙與設(shè)置的間隙偏差過大。

03

顯示的溫度有多準(zhǔn)確？        

您可以執(zhí)行校準(zhǔn)以檢查溫控設(shè)備的度并根據(jù)需要加以調(diào)整。校準(zhǔn)圓筒測量系統(tǒng)時(shí)，需要一個(gè)經(jīng)過認(rèn)證和校準(zhǔn)的溫度探頭；校準(zhǔn)平板測量系統(tǒng)時(shí)，需要放置一個(gè)與樣品形狀一樣的溫度傳感器。

校準(zhǔn)通過軟件自動進(jìn)行。然后，可以儲存新測定的校準(zhǔn)常數(shù)以供溫控設(shè)備使用。平行板測量所使用的校準(zhǔn)傳感器外部應(yīng)涂裹一層導(dǎo)熱材料。測量間隙應(yīng)通過法向力限值進(jìn)行設(shè)置。測量間隙的大小由溫度傳感器的厚度決定。若要校準(zhǔn)圓筒測量系統(tǒng)，可以設(shè)定適當(dāng)?shù)男?zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)并將溫度傳感器放置在樣品中。

軟件手冊中一步一步詳細(xì)介紹了準(zhǔn)確的校準(zhǔn)程序。

04

應(yīng)等待多長時(shí)間以便樣品穩(wěn)定？

要確保樣品已達(dá)到所需的測量溫度，開始執(zhí)行溫度控制后可能需要等待三分鐘左右，以便樣品松弛和穩(wěn)定。這適用于平行板和錐/平板測量系統(tǒng)。

如果使用的是圓筒測量系統(tǒng)，通常應(yīng)等待五分鐘（十分鐘更好），以便樣品達(dá)到設(shè)定溫度。因?yàn)槠錁悠妨看?，樣品需要更長時(shí)間才能達(dá)到設(shè)定溫度。此外，圓筒測量系統(tǒng)自身也需要一定的時(shí)間才能達(dá)到測量溫度。

不過，如果樣品會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，為了測量反應(yīng)，開始執(zhí)行溫度控制后不等待樣品穩(wěn)定也許更好。如果樣品含有快速干燥的溶劑，好也不要等待樣品穩(wěn)定。