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希腊FORTH研究所D. Vlassopoulos、李本科：设计CPP-R夹具优化流变测量方法-精准表征聚合物熔体的法向应力差

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2025-03-12 12:12

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法向应力差（ Normal Stress Differences ）是决定高分子材料在剪切流动中的稳定性及其加工性能的关键因素。然而，在实验中，如何可靠地测量第一和第二法向应力差（ N ₁ 和 N ₂ ）一直是流变学领域的重要挑战，尤其是在高剪切速率条件下。

近日，希腊 FORTH 研究所 D imitris Vlassopoulos 教授和 李本科 博士在在 Journal of Rheology 发表最新研究，报道了一种改进的锥形分区平板（ CPP ， Cone-Partitioned Plate ）几何结构及新的测量方法， 可有效 突破高剪切速率测量瓶颈 ，并显著提高法向应力差 N ₁ 和 N ₂ 的测量精度。

Dimitris Vlassopoulos 教授长期进行聚合物非线性流变研究，通过改进商用 分离型椎板夹具 CPP （ cone-partitioned-plate ）的设计，并标准化了测试方法，获得了更好的测试效果，拓展了测试区间。虽然 CPP 夹具延缓了剪切测试过程中边缘破裂，然而仍然不能完全满足于科研需要。在高剪切速率（高

）下，边缘破裂依然困扰着聚合物熔体的剪切流变测试，导致测量误差增大。为克服这一问题，研究团队提出了两种创新策略：

1. CPP-R （带环形护圈的 CPP ） ：通过在外部分区增加环形护圈（ Ring Collar ），在高剪切速率下有效抑制边界破裂，提高测量稳定性。如图 1a 所示。

2. CPP-RS （带环形阶梯的 CPP ） ：进一步优化设计，将护圈与外部分区一体化加工，减少机械变形误差，使实验操作更加便捷。如图 1b-c 所示。

实验结果表明， CPP-RS 和 CPP-R 均能够显著延长高剪切速率下的稳定测量时间，以 CPP-RS 更为显著，如图 2 所示。通过图 3 所示的方法计算得到法向应力差 N ₁ 与 N ₂ ，与传统 CPP 方法相比提高了测量可靠性（如图 4 所示），并且与其它测量方法得到的结果相吻合（如图 5 所示）。在使用 CPP-RS 测量的过程中，样品受到边缘破裂和约束环的共同影响而产生形状演变，其演变过程如图 6 所示。且该演变过程与剪切速率密切相关，如图 7 所示。

展望：推动高分子流变测量新标准

该研究不仅优化了聚合物熔体法向应力的测量方法，还为复杂流变行为的研究提供了新工具。未来，该方法有望拓展至更广泛的高分子材料体系，如高分子溶液、复合材料及软物质体系，为流变学和高分子加工领域带来更精准的实验手段。