第六章流变仪

第六章流变测量学流变测量学的任务常用的流变测量仪器毛细管型流变仪转子型流变仪混炼型转矩流变仪振荡型流变仪加工条件（压力、扭矩、转速、频率、流量、温度等）流变性质（应力、应变、应变速率、粘度、模量等）2.毛细管流变仪的测量原理和方法2.1毛细管流变仪的基本构造优点：操作简单，测量准确测量范围广阔（）测量物料的剪切粘度物料的流动与挤出、注塑中物料流动形式相仿，具有实用价值24110~10s毛细管流变仪的基本构造毛细管流变仪的基本构造根据测量原理的不同，毛细管流变仪可分为：恒速型柱塞下压速度恒定，待测定的量为毛细管两端的压差恒压型柱塞前进压力恒定，待测定的量为物料的挤出速度（流量）熔融指数仪熔融指数仪结构原理图熔融指数高的物料适合什么工艺？注塑成型熔融指数低的物料适合什么工艺？挤出成型入口区有明显的流线收敛行为，使得流入毛细管一段距离后，才能发展成层流。出口附近，约束突然小时，挤出胀大，流线发生变化。本节重点讨论恒速型毛细管流变仪2.2完全发展区内的流场分析黏度需在此区域内测量剪切黏度=剪切应力/剪切速率假定条件完全发展流动-稳态条件恒温，层流材料粘附在管壁，没有滑移管壁处流速为0管壁处剪切速率最大-这也是我们在所有测试中提到的剪切速率速度只是径向分布样品不可压缩2.2.1运动方程及剪切应力的计算设毛细管半径为R，完全发展区长度为L将式（6-4）积分得到毛细管内的剪切应力分布为：2rzprz00rzr2rzrRpRz任意点r处的剪切应力：2wrPL牛顿流体2.2.2剪切速率的计算LPrdrdv2])(1[4)(22RrLPRrvLPRrdrrvdfrvQRR82)()(40034rQ剪切速率速度体积流量毛细管流变仪表观剪切速率计算公式：哈根-泊肃叶方程（Hagen-Poiseuille方程）表观剪切粘度：2rPrL34rQr38rrrPLQ控制：活塞速率表观剪切粘度牛顿流体聚合物流体问题：表观剪切粘度是否是真实粘度？不是，还需经过Bagley校正和Rabinowitisch校正，才能得到真实粘度Rabinowitisch校正34rQapp表观剪切速率(牛顿流体)校正剪切速率(聚合物熔体)Ifn=0.5,=1.25*γa.n=d(log)d(log).polyethylene0.3to0.6polypropylene0.3to0.4PVC0.2to0.5polyamide0.6to0.934314wQnrnBagley校正校正的原因:压力传感器安装的位置并不在毛细管上，而是在料筒筒壁处。Bagley提出修正方法：保持压力梯度不变，将毛细管虚拟地延长，并将入口区的压力降等价为在虚拟延长长度上的压力降。B2(+nR)()2wentRPLRPPL毛细管壁上真实剪切应力：3.锥-板型转子流变仪简介转子流变仪小角度的振荡，可以提供如熔融黏度、分子质量、重均分子量分布和聚合物松弛等。储能（弹性）模量及损耗（粘性）模量与振荡频率的关系图。锥和板对于平行板，剪切速率在边缘最大，在中心点等于零对于锥板，整个样品上的剪切速率都是恒定的-如果间隙正确!0s-15s-110s-110s-110s-110s-1杯和转子(同轴圆桶)•很宽的间隙(1-1.5mm)，适合填充材料•更大的表面积，测量稀薄液体时更灵敏•减少了挥发杯和转子的不利之处•清除样品更困难•与平板加热体系，兼容性相对较差3.1锥-板型流变仪测量粘度原理：当圆锥体以一定角速度旋转时，带动高分子熔体随之运动，熔体作用在固定板上的扭矩N可通过传感器测出。332caNR3.3锥-板型流变仪进行动态粘弹性测量储能(弹性)模量,G’=应力xCos(相位角)应变损耗(粘性)模量,G”=应力xSin(相位角)应变复数模量,G*=应力应变其中，相位角：施加信号和测量信号的位相滞后典型的动态粘弹性测量结果毛细管流变仪与转子流变仪的区别？毛细管流变仪适合测量的剪切速率大，而转子流变仪适合测量较小的剪切速率（10-4~100）毛细管流变仪主要表征材料的粘性，而转子流变仪可表征材料的粘弹性毛细管流变仪与成型加工更接近。4.落球式粘度计的测量原理原理：将待测溶液置于玻璃测粘管中，放入加热恒温槽，使之恒温。然后向管中放入不锈钢小球，令其自由下落，记录小球恒速下落一段距离S所需时间t，可计算出溶液粘度小球下落过程受到三个力作用：重力浮力Stokes粘性阻力343bWRg343sfRg6FR初始时小球在溶液内以加速运动下落，待速度升到一定值时，受力平衡，恒速下降。22()9bsWFfgR小球速度可用光电测速装置测量，于是粘度就等于特点：结构简单，操作方便剪切速率小，测得的粘度近似等于零剪切粘度可用于研究聚合或降解反应的动力学过程22()9bsgRtS5.混炼机型转矩流变仪的原理和用途原理通过记录物料在混合过程中转子或螺杆产生的反扭矩以及温度随时间的变化，研究物料在加工过程中的分散性能、流动行为及结构变化。特点与实际生产设备（密炼机、挤出机）结构类似物料用量少适合于生产配方和工艺条件的优选转矩流变仪结构：微机控制系统参数设置及结果显示机电驱动系统控制速度、压力，记录温度、压力和转矩可更换的实验部件密闭式混合器或螺杆挤出器密炼机的各种转子Roller转子用于混合热塑性材料，如聚烯烃、聚氯乙烯、工程塑料等Banbury转子用于混合弹性体，还可用于将粉末混合到热塑料材料中橡胶行业中应用更为普遍密炼机转子及应用Delta转子热固性材料的混合和交联，使用540型锥形密炼腔Cam转子热塑料、较少轴向分布，陶瓷复合物、食品（粘稠、高扭矩）Sigma转子食品应用和塑料溶胶（有扭矩限制）密炼机转子及应用密炼机–测量原理32在加热密炼腔内使用反向旋转转子的样品剪切过程试验结果：扭矩熔体温度密炼机试验过程密炼机清洁转矩流变仪的典型曲线-1材料：聚烯烃：聚乙烯PE、聚丙烯PP工程塑料：PS、PA、PC、PEEK、LCP测试点：L=加料峰加入物料，物料较冷，扭矩很高M=最低点最低熔体粘度12345678910扭矩[Nm]运行时间ML0010203040506070800510152025Time[min]Torque[Nm]稳定剂对聚酰胺的影响PA6（使用稳定剂）PA6（不使用稳定剂）Rheomix600,Roller转子温度：280℃,质量：52g,转速：60rpm05101520253002468101214使用不同炭黑的SANTorque[Nm]时间[分]Rheomix600,Roller转子温度：230℃,质量：58g,转速：40rpmSAN&30%炭黑2SAN&30%炭黑1扭矩材料：PVC（硬质）测试点：L=加料峰V=谷点（熔融过程的起始点）F=塑化峰（熔融过程完成）M=最低点012345678910扭矩[Nm]运行时间[min]LFVM转矩流变仪的典型曲线-2Rheomix600,Roller转子,温度：160℃,转速：40rpmm：66gm：60gm：64g样品量对PVC熔融的影响材料：PVC（硬质）稳定性试验测试点：L=加料峰V=谷点（熔融过程起始点）F=塑化峰（熔融过程结束）S=稳定扭矩M=最低点O=分解发生D=分解峰值036912151821242730扭矩[Nm]运行时间[minutes]稳定时间DOMSFVL转矩流变仪的典型曲线-30510152025303540455005101520Time[min]Torque[Nm]Rheomix600,Roller转子温度：170℃,转速：60rpm,质量：65ga：PVC干混料（稳定剂1.9%）b：PVC干混料（稳定剂2.0%）aabb应用：PVC稳定性试验材料：PVC粒料（稳定性试验）交联材料（PE、橡胶、热固性材料）测试点：L=加料峰S=稳定扭矩M=最低点O=交联发生D=交联峰值运行时间扭矩LMODS稳定时间024681012012345Time[min]Torque[Nm]PES树脂交联Rheomix540,Delta转子温度：120℃,转速：50rpm,质量：63g样品1样品2时间（min）扭矩课后作业１.毛细管流变仪为什么要进行入口校正及校正方法？２.给出ＰＶＣ典型的转矩随时间变化曲线，曲线中各峰代表含义？