材料知多少 (熔融指數(shù)儀的應(yīng)用).docx

單尼斯科（上海）儀器儀表有限公司塑料工程，2013年9月刊材料性能知多少3 （Materials Know How 3）作者：Michael Sepe已經(jīng)證明聚合物的平均分子量與其自身的零剪切黏度的有固定的關(guān)系幾年前我收到一封質(zhì)疑我論述的郵件,發(fā)件人要求我指出如何使得我的論述(對熔融流動速率測試通?？梢蕴峁┮环N評估聚合物分子量的有效途徑)成立, 如何將流動速率以克/10分鐘的單位表示來測量分子量(單位是克/摩爾), 其實實驗已經(jīng)驗證了這個問題。已經(jīng)證明聚合物的平均分子量與其自身的零剪切黏度的有固定的關(guān)系,準(zhǔn)確地關(guān)系取決于聚合物自身,可以在有關(guān)文獻(xiàn)里找到它們之間關(guān)系的一般表達(dá)式：ho=kMw3。4這里ho代表零剪切黏度，Mw是聚合物的平均分子量，k是一個測試某特定聚合物時的恒定常數(shù)。指數(shù)3。4并不是通用的，在3。2-3。9之間變動。在很低的剪切速率下，任何熔融特征都能通過小的分子量的變化反映到大的熔融黏度的變化上來。零剪切速率是一個數(shù)學(xué)家才會喜歡的概念，在實際操作中，你無法測得零剪切速率的黏度，因為黏度是通過測量聚合物流動過程中受到的阻力來得到的。所以為了聚合物測量流動時的阻力，你必須讓聚合物流動，然而一旦流動，其剪切速率必然不是零。但是可以根據(jù)黏度與剪切速率的指數(shù)關(guān)系圖，在流動速率趨于水平接近于零時并與Y軸相交的值來獲得-即零剪切黏度。歸納后的黏度與剪切速率關(guān)系圖1，圖中指出了推算后的零剪切黏度。圖1：你無法測得零剪切速率的黏度，因為黏度是通過測量聚合物流動過程中受到的阻力來得到的。所以為了測量流動時的阻力，你必須讓聚合物流動，然而一旦流動剪切速率必然不是零。但是可以根據(jù)黏度與剪切速率的指數(shù)關(guān)系圖，在流動速率區(qū)域水平接近于零時，與Y軸相交的值-即零剪切黏度。乙醛共聚物在220度下的黏度/剪切速率關(guān)系圖此圖顯示了乙醛共聚物的真實黏度/剪切速率關(guān)系圖，其MFR為9克/10分鐘，測試的剪切速率范圍從1。4至1400秒-1并部分顯示了圖1的特征這也就詮釋了通過測量MFR的值來測量聚合物的分子量的有效性。因為MFR是在相對較低的剪切速率下進(jìn)行的，其結(jié)果接近于零剪切黏度（也是在低剪切速率下測量的）。盡管剪切速率不受控制。剪切速率在MFR測試中不受控實際上是測試夸大了了熔融黏度的實際的不同之處,黏度產(chǎn)生了分子量的功能。這一點可以通過再次觀察上次的兩種聚合聚合物黏度/剪切速率的曲線來證實。兩個材料的MFR值指示黏度值為4-MFR的材料是22-MFR材料的5。5倍。然而, 如果我們仔細(xì)比較這兩種材料在任意相同剪切速率下的黏度,就會發(fā)現(xiàn)事實并非如此。兩種材料黏度的最大不同是在最小的剪切應(yīng)力下測得的,即使在這一點,兩種材料的黏度也未達(dá)到3。5:1(3460/1005=3。44)圖2 顯示了一個乙醛共聚物真實的黏度/剪切速率的關(guān)系曲線圖，其熔融流動速率MFR為9克/10分鐘。測試的剪切速率的范圍從1。4至1400秒-1并顯示圖1中的部分流變特征。黏度值得大小在1。4-7秒-1之間，并沒有發(fā)生巨大的變化，該段時間內(nèi)，還沒有進(jìn)入曲線的非牛頓特征區(qū)域。圖2指出了測試材料的MFR時的剪切速率，大概20秒-1?？梢詮膱D中看出MFR的測試位于曲線的上方，接近于曲線上的零剪切點。由圖3注意到隨著剪切速率逐漸變大,兩種材料黏度的差異慢慢變小。在最大剪切速率處即10000秒-1處, 比率下降到18/13即1。38:1。 材料流動的越快,它們的黏度越接近。原因是由聚合物鏈長的方向性引起的,這種現(xiàn)象被稱之為剪切稀化。這種行為使得加工者可以讓熔融聚合物在相對受限制的流道里長距離的移動。 尤其是注塑成型方面應(yīng)用更廣。兩種MFR值顯示的差異比黏度測試顯示大的原因是兩種材料的剪切速率并不相同。 圖3箭頭所示兩種材料的MFR值獲得時的剪切速率。如之前提到的, 這些剪切速率是不受控制的,是由于兩種材料在置于恒定的加載下獲得的。但由于22-MFR材料的剪切速率比4-MFR材料的要大,黏度上的差別就被放大化了。這是MFR測試的一個不足之處。然而,這也顯示了由MW變化而引起的黏度的不同是應(yīng)該在最小流動速率下才能最有效得獲得。隨著剪切速率越來越高,兩個大體上MFR不同的材料開始趨于相似。4-MFR和22-MFR PP材料的黏度/剪切速率曲線圖3箭頭所示兩種材料的MFR值獲得時的剪切速率。如之前提到的, 這些剪切速率是不受控制的,是由于兩種材料在置于恒定的加載下獲得的。但由于22-MFR材料的剪切速率比4-MFR材料的要大,黏度上的差別就被放大化了。這是MFR測試的一個不足之處。然而,這也顯示了由MW變化而引起的黏度的不同是應(yīng)該在最小流動速率下才能最有效得獲得。在極限情況下，商用原材料的MFR值可能最小低至0。1克/10分鐘，或最高至500克/10分鐘。然而，對大多數(shù)的商業(yè)所發(fā)布的混合物來看，MFR值一般在1-50克/10分鐘。這就意味著測試MFR時相應(yīng)的剪切速率一般在2。2-110秒-1之間在測試MFR過程中，熔融黏度被夸大化給生產(chǎn)過程帶來了不良的影響，尤其是一些涉及到注塑工藝的過程。一些將MFR的值來代表材料流體真正不同的過程。當(dāng)仿行部件沒有按照預(yù)期的那樣被加工出來時，其中的一個改變結(jié)果的方法就是增加此聚合物的分子量。這就要求將材料轉(zhuǎn)變?yōu)镸FR更高的材料。這種方法通常以為無法控制而不予采納，因為如果以MFR值得不同判斷，會增加加工工藝難度。而黏度曲線顯示出真實黏度的不同并沒有MFR所顯示的那么大。但讓人們考慮MFR這個參數(shù)的意義是很難的，許多性能上的問題，并不時通過使用更高M(jìn)FR的材料來解決的，而是使用更復(fù)雜的方法比如：改變部件的設(shè)計或加工條件，只因為MFR的值看起來比較嚇人 。下個月我們將探索為什么人們會把對MFR的觀測當(dāng)作加工過程的一個障礙，以及為什么加工過程中用MFR來顯示批次間的起伏的敏感度，會有一些基本的與注塑機(jī)相關(guān)或者與工藝設(shè)定有關(guān)一些的問題。 (未完待續(xù))關(guān)于作者：MICHAEL SEPEMichael Sepe是一名個獨立的材料和加工顧問，住在亞利桑那州，其客戶遍及北美，歐洲和亞洲。他擁有超過35年的塑料行業(yè)經(jīng)驗，幫助客戶進(jìn)行材料選擇，設(shè)計的可制造性，流程優(yōu)化，故障診斷和故障分析。關(guān)于譯者：Susan YangSusan Yang是Dynisco中國Polytest