流變學(xué)實(shí)驗(yàn)-2-流變儀測動態(tài)粘度

1、性能測量的幾何結(jié)構(gòu)有同軸圓筒（ 介紹平行板結(jié)構(gòu)的基本工作原理。圖2錐板結(jié)構(gòu)示意圖平行板主要用來測量熔體流變性能。平行板主要的優(yōu)點(diǎn)在于圖3平行板結(jié)構(gòu)示意圖(Collyer et al. 1988 , Macosko 1994):聚合物熔體動態(tài)粘度的測試胡圣飛編一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解旋轉(zhuǎn)流變儀的基本結(jié)構(gòu)、工作原理。2 掌握采用旋轉(zhuǎn)流變儀測量聚合物的動態(tài)粘度的方法。二實(shí)驗(yàn)儀器TA旋轉(zhuǎn)流變儀（型號：DHR-2 ）、強(qiáng)制空氣加熱爐（ETC）、空氣壓縮機(jī)、循環(huán)泵槽銅鏟、銅刷三實(shí)驗(yàn)材料高密度聚乙烯圓片（直徑 2.5mm ,厚度1-2mm） 四實(shí)驗(yàn)原理聚合物受外力作用時(shí)，會發(fā)生流動與變形，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。流變學(xué)所研究

2、的就是流動、變形與應(yīng)力間的關(guān)系。旋轉(zhuǎn)流變儀是現(xiàn)代流變儀中的重要組成部分，它們依靠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來產(chǎn)生簡單剪切流動，可以用來快速確定材料的粘性、彈性等各方面的流變性能。旋轉(zhuǎn)流變儀一般是通過一對夾具的相對運(yùn)動來產(chǎn)生流動的。引入流動的方法有兩種：一種是驅(qū)動一個夾具，測量產(chǎn)生的力矩，這種方法最早是由Couette在1888年提出的，也稱為應(yīng)變控制型，即控制施加的應(yīng)變，測量產(chǎn)生的應(yīng)力；另一種是施加一定的力矩，測量產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)速度，它是由Searle 于1912年提出的，也稱為應(yīng)力控制型，即控制世界的應(yīng)力，測量產(chǎn)生的應(yīng)變。實(shí)際用于粘度等流變Couette）（見圖1）、錐板（見圖2）和平行板（見圖3）等。本實(shí)驗(yàn)主要

3、 平行板間的距離可以調(diào)節(jié)到很小。小的間距抑制了二次流動，減少了慣性矯正，并通過更好的傳熱減少了熱效應(yīng)。綜合這些因素使得平行板結(jié)構(gòu)可以在更高的剪切速率下使用。 平行板結(jié)構(gòu)可以更方便地安裝光學(xué)設(shè)備和施加電磁場。 在一些研究中，剪切速率是一個重要的獨(dú)立變量。平行板中剪切速率沿徑向的分布可以使剪 切速率的作用在同一個樣品中得到表現(xiàn)。 對于填充體系，板間距可以根據(jù)填料的大小進(jìn)行調(diào)整。因此平行板更適用于測量聚合物共混 物和多相聚合物體系（復(fù)合物和共混物）的流變性能。 平的表面更容易進(jìn)行精度檢查。 通過改變間距和半徑，可以系統(tǒng)地研究表面和末端效應(yīng)。 平行板的表面更容易清洗。平行板的結(jié)構(gòu)（見圖3）由兩個半徑為

4、R的同心圓盤構(gòu)成，間距為 h，上圓盤可以旋轉(zhuǎn)。邊緣表示 了與空氣接觸的自由邊界。在自由邊界上的界面壓力和應(yīng)力對扭矩和軸向應(yīng)力測量的影響一般可以 忽略。這種結(jié)構(gòu)對于高溫測量和多相體系的測量非常適宜。平行板間距可以很容易的調(diào)節(jié)：對于直 徑25mm的圓盤，經(jīng)常使用的間距為 1mm到2mm，對于特殊用途，也可使用更大的間距。對于高 溫測量。熱膨脹效應(yīng)被最小化了。間距設(shè)置的誤差也并不是非常重要，并且在多相體系中，間距可 以比分散粒子大很多。一般的標(biāo)準(zhǔn)是：dph:1(1-1)式中dp是分散粒子的直徑。并且在大間距下，自由邊界上的界面效應(yīng)可以忽略。這種結(jié)構(gòu)的主要缺 點(diǎn)是間距中的流動是不均勻的，即剪切速率沿徑

5、向方向線性變化。當(dāng)間距很小（h/R1）時(shí)，或者在低旋轉(zhuǎn)速度下，慣性可以被忽略，穩(wěn)態(tài)條件下的速度分布:(1-2)剪切速率可以表示為(1-3)對于非牛頓流體，因?yàn)榧羟兴俾孰S徑向位置而變化，粘度不再與扭矩成正比，因此需要進(jìn)行Robinowitsh 型的推導(dǎo)(Carreau et al. 1997)。扭矩R2Rr|(r Qr3(1-4)T =2二 0 - r dr = 2二。彳 dr 將方程(1-4)中的變量r換成 迨.Wr/h，得(1-5)結(jié)合方程（1-3），這個結(jié)果可以寫成 r 32W緲(1-6)對r求導(dǎo)，并利用Leibnitz法則，可以得到二 r -3 了3d(1-7)d In3 飛1 n r應(yīng)

6、用方程（1-6），得到最終的粘度表示:(1-8)I- 對于非牛頓流體，首先用InT對In r作圖，然后利用局部斜率從方程（1-8）計(jì)算粘度。對于滿足指數(shù)定律的流體，扭矩(1-9)且InT與nln R成比例，因此粘度可以由以下簡化的表達(dá)式給出:T2 二 R3 R3 nl(1-10)選擇流變儀的測試模式一般可以分為穩(wěn)態(tài)測試、瞬態(tài)測試和動態(tài)測試，區(qū)分它們的標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)變 或應(yīng)力施加的方式。本實(shí)驗(yàn)著重介紹動態(tài)測試模式，動態(tài)測試主要指對流體施加振蕩的應(yīng)變或應(yīng)力，測量流體相應(yīng)的應(yīng)力或應(yīng)變。動態(tài)測試中，可以使用在被測材料共振頻率下的自由振蕩，或者采用 在固定頻率下的正弦振蕩。這兩種方式都可用來測量粘度和模量，不

7、同的是在固定頻率下的正弦振 蕩測試在得到材料性能頻率依賴性的同時(shí)，還可得到其性能的應(yīng)變或應(yīng)力依賴性。在動態(tài)測試中，流變儀可以控制振動頻率、振動幅度、測試溫度和測試時(shí)間。在典型的測試中， 將其中兩項(xiàng)固定，而系統(tǒng)地變化第三項(xiàng)。應(yīng)變掃描、頻率掃描、溫度掃描和時(shí)間掃描是基本的測試 模式。應(yīng)變控制型流變儀的動態(tài)頻率掃描模式是以一定的應(yīng)變幅度和溫度，施加不同頻率的正弦形變，在每個頻率下進(jìn)行一次測試。對于應(yīng)力控制型流變儀，頻率掃描中設(shè)定的是應(yīng)力的幅度。頻率的增 加或減少可以是對數(shù)的和線性的，或者產(chǎn)生一系列離散的頻率。在頻率掃描中，需要確定的參數(shù)是： 應(yīng)變幅度或應(yīng)力幅度，頻率掃描方式（對數(shù)掃描，線性掃描和離散

8、掃描）和實(shí)驗(yàn)溫度。從頻率掃描可以 得到的信息包括： 與分子量密切相關(guān)的粘度數(shù)據(jù)； 從分子量數(shù)據(jù)和分子量分布，可以檢測到長支鏈的含量； 零剪切粘度 0可以從損耗模量 G”求得，平衡可恢復(fù)柔量 Je0可從儲能模量 G求得，平均松弛 時(shí)間入r可從Je0和0的乘積求得。IO11OD1O1Frequency rad/s螢blolo4圖4 一種窄分子量分布的聚苯乙烯份子量(MW)=170000)的動態(tài)頻率掃描曲線動態(tài)頻率掃描可以用來分析材料的時(shí)間依賴行為。圖4顯示了一種窄分子量分布的聚苯乙烯的頻率掃描結(jié)果。通過研究在很寬溫度范圍內(nèi)的儲能模量和耗能模量的頻率依賴性，并利用時(shí)溫疊加原理，可以得到超出測量范圍很

9、寬的數(shù)據(jù)。五儀器介紹TA旋轉(zhuǎn)流變儀(型號：DHR-2 )主要包括拖杯馬達(dá)(Drag cup motor)、磁懸浮軸承、位置傳感器 (Position sen sors)等組成，并配置了各種結(jié)構(gòu)的夾具。完成整個實(shí)驗(yàn)必須配備的儀器有：強(qiáng)制空氣加 熱爐(ETC)、空氣壓縮機(jī)、循環(huán)泵槽。儀器的性能指標(biāo)為:Nominal operat ing voltage110V or 220Torque rangeSpeedFreque ncyTemperature range0.05m-200mNm10nano rad/s-600rad/s1micro Hz-100Hz-150 C -550 C流變儀的結(jié)構(gòu)示意圖

10、如圖 5所示。拖杯馬達(dá) Drag cup moto r磁懸浮軸承位置傳感器Position sensors測量系統(tǒng) Measuring system樣品 Temperature con trolled sample圖5流變儀結(jié)構(gòu)示意圖六實(shí)驗(yàn)內(nèi)容步驟1. 檢查氣源。(1) 合上空壓機(jī)電源，將空壓機(jī)開關(guān)拔至“auto ”位，空壓機(jī)啟動。(2) 將空氣調(diào)節(jié)器上的開關(guān)旋開，3bar到流變儀，5bar到ETC。2. 打開循環(huán)水浴開關(guān)。(手放在水浴箱上能感受到輕微震動，說明循環(huán)水已開)3. 打開溫度控制器(ETC, Extended Temperature Cell)。4. 打開流變儀背后的電源開關(guān)。當(dāng)G

11、AP面板顯示“-”之后，按 UP(上箭頭)鍵，空氣軸承組件會自動升降初始化，初始化結(jié)束后，0K燈就會亮起。5. 打開電腦，運(yùn)行 TRIOS軟件，使用用戶名和密碼登錄，或者只點(diǎn)擊0K進(jìn)入。(1) 點(diǎn)擊Viscometery ,然后點(diǎn)擊 Zero Gap(位移)旁邊的方形按鈕，對位置進(jìn)行歸零，確保位置的讀數(shù)會有小幅變化。(2) 檢查溫度的讀數(shù)不會顯示“-”。(3) 點(diǎn)擊GAP按鈕，進(jìn)入模擬的GAP控制面板，檢查通信，確保窗口下方的狀態(tài)欄沒有“ Communi cati ons Down 顯示。(4) 返回主界面。6. 選擇適當(dāng)?shù)臏y試模式，點(diǎn)擊進(jìn)入。(1) 安裝夾具。點(diǎn)擊Measuring syst

12、em 下邊的SELECT按鈕，選擇相對應(yīng)的測量系統(tǒng)。(2) 設(shè)定溫度。測試前可以在Manual Setting 選項(xiàng)內(nèi)進(jìn)行設(shè)置，然后按 Tab鍵，儀器會自動到達(dá)設(shè)定溫度。(3) 間距校零。確保已經(jīng)安裝了測量系統(tǒng)，按“ZERO ”按鈕，等待 GAP面板顯示為“ 0000 ”，OK燈亮起。(4) 加載樣品。按 UP鍵，抬升軸承組件，將樣品放在下板中央，待溫度平衡后，調(diào)節(jié)GAP，用刮鏟刮掉溢出的樣品。(5) 打開軸承下面的插銷，點(diǎn)擊“Start ”按照設(shè)定的參數(shù)開始測試。7. 測試結(jié)束后保存數(shù)據(jù)。按UP鍵抬升測量系統(tǒng)，將樣品取出，并將夾具清理干凈。&關(guān)機(jī)。(1) 退出軟件，關(guān)閉流變儀開關(guān)。(2) 關(guān)

13、閉ETC開關(guān)。(3) 關(guān)閉循環(huán)水浴電源。(4) 將空壓機(jī)電源拔至“0”位，將儲水盒中的水倒掉，待空壓機(jī)風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動后，關(guān)閉空壓機(jī)電源。(5) 關(guān)閉電腦。六注意事項(xiàng)1. 空氣軸承是旋轉(zhuǎn)流變儀的核心部分，在使用流變儀之前一定要接通空氣，如果沒有 接通空氣，任何使用和搬動流變儀都可能會導(dǎo)致空氣軸承損壞。2. 打開循環(huán)水浴后如果水沒有循環(huán)，迅速提起瓶子，直到水開始流動為止。3 插銷防止軸承旋轉(zhuǎn)，通常是用于安裝測量系統(tǒng)和加載樣品。直到測試之前，都必須 將轉(zhuǎn)軸上的凹槽與插銷對準(zhǔn)，將轉(zhuǎn)軸鎖定。4 安裝測量系統(tǒng)時(shí)，先松開螺絲，然后左手托住測量系統(tǒng)，右手?jǐn)Q緊螺絲5 每次更換了測量系統(tǒng)都必須重新校零。6樣品加載過

14、程中應(yīng)避免破壞材料的結(jié)構(gòu)。樣品加載不要加的太多，也不要加的太少, 可以使用平面刮刀將多余的樣品刮掉。7測試結(jié)束后 ETC、夾具等可能很燙，應(yīng)小心觸碰，以免燙傷，必要時(shí)應(yīng)戴手套。 &禁止使用腐蝕性、酸性等液體清洗夾具。七數(shù)據(jù)處理測試溫度： 應(yīng)變：f/Hz0 /rad/sG /PaG”/PaG*/Pan*/Pa - scr /Pa6 / 1 根據(jù)測定的結(jié)果作圖。2 分析聚合物的流變特性。3 分析測試溫度對聚合物流變特性的影響。4 零剪切粘度的計(jì)算分子量分布的不同會導(dǎo)致儲能模量和損耗模量在不同的頻率相交。因此，可以利用交點(diǎn)處模量的大小來定義流變多分散性指數(shù)PI (Zeichner & Patel.

15、1981)(單位為Pa)。PI越小，分子量分布越PI的應(yīng)用有嚴(yán)格的限制范圍，它只式中Gx= G= G是儲能模量和耗能模量交點(diǎn)處的模量 窄；反之PI越大，分子量分布越寬。流變多分散性指數(shù) 適用于Ziegler-Natta 催化合成的聚丙烯樣品，對其他樣品的適用性不好(Bafna. 1997 ;Chambon. 1995)。儲能模量和耗能模量交點(diǎn)處的頻率只是多分散性指數(shù)的函數(shù)，滿足(1-12)In 川=14.73 -0.237ln PI利用方程(1-12)可以很方便地估計(jì)聚合物我零剪切粘度，而不用花很長時(shí)間作低頻或低剪切 速率的測試。5.平臺模量Gn0和纏結(jié)分子量 Me的確定Gn0是確定纏結(jié)分子量 Me的重要參數(shù)，可以由 G ”求積分得到gN式中-max是平臺區(qū)G 的最大值對應(yīng)的 值所在對應(yīng)的G 得到max二 4/二 _ Gd In -*3通常對于無定形高聚物，Gn0的值可以近似從tan的最小(1-13)G N = G tanmin imum然而有些高聚物在平臺區(qū) tan無最小值，Wu提出了一個半經(jīng)驗(yàn)公式用以從交叉模量 分布指數(shù)(PI)得到Gn0(1-14)(Gx)和分子量log GN/Gx =0