日本UBM Rheogel-E系列动态粘弹性测定装置技术解析

1 产品概述

高分子薄膜、橡胶薄片等固体材料的粘弹性特性，直接决定其在使用温度范围内的力学行为、阻尼性能与耐久性。日本株式会社ユービーエム（UBM Co., Ltd.）开发的Rheogel-E系列动态粘弹性测定装置，是面向薄膜形状及半固体物质测定的专业流变学仪器，通过对试样施加拉伸、压缩、弯曲、剪切等振动应变，传感其应力响应与位移量并作为数据积累，可评价高分子薄膜、橡胶薄片等固形物的粘弹性特性。

Rheogel-E系列包含标准型Rheogel-E4000、高功率型Rheogel-E4000HP与E4000HP2、E4000F以及小型轻量型Rheogel-E1500等型号，频率范围最高达1000Hz，温度范围-150～400℃（可选最高500℃），并可通过更换测定治具实现拉伸、压缩、固体剪切、液体剪切及弯曲等多种测定模式，广泛用于塑料、橡胶、粘着剂、复合材料与涂膜等材料的研发与质量管理。

2 工作原理

2.1 动态粘弹性测定原理

动态粘弹性测定是在试样两端夹持并施加一定张力（不使其松弛）的状态下，从一侧给予微小位移振动，同时测定试样产生的应力响应。由应力与应变之间的位相差（δ）可将材料的力学响应分解为弹性成分与粘性成分：贮存弹性率E′（G′）反映材料储存能量的弹性能力，损失弹性率E″（G″）反映材料损耗能量的粘性能力，损耗正切tanδ为二者的比值。

塑料在低温下表现为刚硬、高温下表现为柔软的特性，通过温度轴上的弹性率变化，可以评价玻璃化转变、交联结构的有无及交联密度等信息，进而推断材料的分子结构与物理性质的关系。此外，将振动频率范围、温度范围与弹性率构成的三维测定结果进行整理，可求取材料的松弛谱，导出由弹性与粘塑性比例不同的多种要素构成的材料特性。装置还可进行一定伸长速度下的应力-应变测定、初期应变保持下的应力松弛测定以及初期荷重保持下的蠕变测定。

2.2 机械结构与传感器设计

Rheogel-E系列测定机本体由加振器、试样测定治具、动态荷重检出器等构成，从加振机到荷重检出器之间的加振轴、试样测定治具、荷重检出轴均采用极高刚性的机械设计，使试样截面积的影响减小，维持高弹性率样品的测定精度。动态荷重检出器采用水晶压电元件，具有高分辨率，可对极薄薄膜及柔软试样稳定测定其弹性率，从而在温度变化引起的高弹性率至低弹性率的宽范围内实现高精度检测。加振器具备高频率能力，可对材料冲击特性、制振特性等短时间领域（冲击瞬间）的松弛行为进行评价。

3 主要测定功能与评价指标

根据测定方法的不同，Rheogel-E系列可输出相应的粘弹性评价参数，主要评价指标如下表所示。

4 系列型号与技术规格

Rheogel-E系列各机型的标准规格见下表。其中E4000为标准型，E4000HP与E4000HP2为高功率型（对应大变形），E4000F对应较宽频率范围，E1500为小型轻量型（控制单元内置于本体）。

5 测定治具与适用样品

Rheogel-E系列配备多种测定治具，拉伸治具为标准附属，压缩、固体剪切、液体剪切、自由端弯曲、固定端弯曲治具作为选配件提供，另备有薄膜切割用金型与样品冲头。主要测定治具及应用对象见下表。

6 数据处理与典型应用

6.1 数据处理软件

装置通过PC与数据处理软件UBM-V3实现自动测量与数据解析。作图功能包括重叠作图、向Excel粘贴、峰搜索、自动缩放、批量印刷、Tg解析、作图条件保存、作图文件保存、备注标签与平滑处理等；作表功能包括数据排序、向Excel保存、峰搜索及列表显示。分析功能支持主曲线（Master Curve，应用时间-温度换算法则）、活性化能量（Arrhenius作图）、松弛谱、松弛弹性率及瞬间弹性率（100%贮存能量）等深层次解析，为材料分子结构均匀性与长期行为的评价提供依据。

6.2 典型应用

· 高分子薄膜：塑料薄膜的玻璃化转变、耐热性、制振特性与温度特性评价；

· 橡胶与弹性体：橡胶薄片的粘弹性、损耗特性与配方开发；

· 复合材料：环氧硬化物、玻璃纤维/碳纤维增强复合材料（GFRP/CFRP）的力学阻尼与界面特性；

· 粘着剂与涂膜：粘着剂、涂膜的粘弹特性与剥离、阻尼行为评价；

· 半固体与液体材料：配合相应治具测定凝胶、膏体等半固体物质的粘弹性；

· 行业覆盖：汽车、家电、电子产品、包装等行业材料的研究开发与品质管理。

7 结语

UBM Rheogel-E系列动态粘弹性测定装置以高刚性机械结构、宽频加振器与高分辨率水晶压电荷重检出器为核心，实现了对薄膜形状及半固体物质在-150～400℃（可选最高500℃）、最高1000Hz范围内的动态粘弹性精确测定。通过拉伸、压缩、剪切、弯曲等多种测定模式与丰富的软件解析功能，该系列装置为高分子材料的结构-物性关系研究、配方开发与品质管理提供了系统的解决方案。