第六章流變儀課件

1、第六章 流變測(cè)量學(xué)流變測(cè)量學(xué)的任務(wù)流變測(cè)量學(xué)的任務(wù)常用的流變測(cè)量儀器常用的流變測(cè)量儀器毛細(xì)管型流變儀毛細(xì)管型流變儀轉(zhuǎn)子型流變儀轉(zhuǎn)子型流變儀混煉型轉(zhuǎn)矩流變儀混煉型轉(zhuǎn)矩流變儀振蕩型流變儀振蕩型流變儀加工條件（壓力、加工條件（壓力、扭矩、轉(zhuǎn)速、頻率、扭矩、轉(zhuǎn)速、頻率、流量、溫度等）流量、溫度等）流變性質(zhì)（應(yīng)力、流變性質(zhì)（應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速率、應(yīng)變、應(yīng)變速率、粘度、模量等）粘度、模量等）2. 毛細(xì)管流變儀的測(cè)量原理和方法2.1 2.1 毛細(xì)管流變儀的基本構(gòu)造毛細(xì)管流變儀的基本構(gòu)造優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：操作簡單，測(cè)量準(zhǔn)確操作簡單，測(cè)量準(zhǔn)確測(cè)量范圍廣闊（測(cè)量范圍廣闊（ ）測(cè)量物料的剪切粘度測(cè)量物料的剪切粘度物料的流

2、動(dòng)與擠出、注塑中物料流動(dòng)形式相仿，具物料的流動(dòng)與擠出、注塑中物料流動(dòng)形式相仿，具有實(shí)用價(jià)值有實(shí)用價(jià)值2411010 s毛細(xì)管流變儀的基本構(gòu)造毛細(xì)管流變儀的基本構(gòu)造毛細(xì)管流變儀的基本構(gòu)造毛細(xì)管流變儀的基本構(gòu)造根據(jù)測(cè)量原理的不同，毛細(xì)管流變儀可分為：根據(jù)測(cè)量原理的不同，毛細(xì)管流變儀可分為：恒速型恒速型 柱塞下壓速度恒定，待測(cè)定的量為毛細(xì)管兩柱塞下壓速度恒定，待測(cè)定的量為毛細(xì)管兩端的壓差端的壓差恒壓型恒壓型 柱塞前進(jìn)壓力恒定，待測(cè)定的量為物料的擠出柱塞前進(jìn)壓力恒定，待測(cè)定的量為物料的擠出速度（流量）速度（流量）熔融指數(shù)熔融指數(shù)儀儀熔融指數(shù)儀結(jié)構(gòu)原理圖熔融指數(shù)儀結(jié)構(gòu)原理圖熔融指數(shù)高的物料熔融指數(shù)高的物

3、料適合什么工藝？適合什么工藝？注塑成型注塑成型熔融指數(shù)低的物料熔融指數(shù)低的物料適合什么工藝？適合什么工藝？擠出成型擠出成型入口區(qū)有明顯的流線收斂行為，使得流入毛細(xì)管一段距離入口區(qū)有明顯的流線收斂行為，使得流入毛細(xì)管一段距離后，才能發(fā)展成層流。后，才能發(fā)展成層流。出口附近，約束突然小時(shí)，擠出脹大，流線發(fā)生變化。出口附近，約束突然小時(shí)，擠出脹大，流線發(fā)生變化。本節(jié)重點(diǎn)討論恒速型毛細(xì)管流變儀本節(jié)重點(diǎn)討論恒速型毛細(xì)管流變儀2.2 2.2 完全發(fā)展區(qū)內(nèi)的流場(chǎng)分析完全發(fā)展區(qū)內(nèi)的流場(chǎng)分析 黏度需在此區(qū)域內(nèi)測(cè)量黏度需在此區(qū)域內(nèi)測(cè)量剪切黏度剪切黏度= =剪切應(yīng)力剪切應(yīng)力/ /剪切速率剪切速率假定條件假定條件完全

4、發(fā)展流動(dòng)完全發(fā)展流動(dòng)- -穩(wěn)態(tài)條件穩(wěn)態(tài)條件恒溫，層流恒溫，層流材料粘附在管壁，沒有滑移材料粘附在管壁，沒有滑移管壁處流速為管壁處流速為0 0管壁處剪切速率最大管壁處剪切速率最大- -這也是我們?cè)谒袦y(cè)試中提到的這也是我們?cè)谒袦y(cè)試中提到的剪切速率剪切速率速度只是徑向分布速度只是徑向分布樣品不可壓縮樣品不可壓縮2.2.1 2.2.1 運(yùn)動(dòng)方程及剪切應(yīng)力的計(jì)算運(yùn)動(dòng)方程及剪切應(yīng)力的計(jì)算設(shè)毛細(xì)管半徑為設(shè)毛細(xì)管半徑為R R，完全發(fā)展區(qū)長度為，完全發(fā)展區(qū)長度為L L將式（將式（6-46-4）積分得到毛細(xì)管內(nèi)的剪切應(yīng)力分布為：）積分得到毛細(xì)管內(nèi)的剪切應(yīng)力分布為：2rzp rz00rzr2rzr Rp Rz任

5、意點(diǎn)任意點(diǎn)r處的剪切處的剪切應(yīng)力：應(yīng)力：2wrPL牛頓流體2.2.2 2.2.2 剪切速率的計(jì)算剪切速率的計(jì)算LPrdrdv2)(1 4)(22RrLPRrvLPRrdrrvdfrvQRR82)()(40034rQ剪切速率剪切速率速度速度體積流量體積流量毛細(xì)管流變儀表觀剪切速率計(jì)算公式：毛細(xì)管流變儀表觀剪切速率計(jì)算公式：哈根哈根-泊肅葉方程（泊肅葉方程（Hagen-Poiseuille方程）方程）表觀剪切粘度：表觀剪切粘度：2rP rL34rQr38rrrPLQ控制：活塞速率表觀剪切粘度牛頓流體聚合物流體問題：表觀剪切粘度是否問題：表觀剪切粘度是否是真實(shí)粘度？是真實(shí)粘度？不是，還需經(jīng)過不是，還

6、需經(jīng)過Bagley校正校正和和Rabinowitisch 校正，才校正，才能得到真實(shí)粘度能得到真實(shí)粘度Rabinowitisch Rabinowitisch 校正校正34rQapp 表觀剪切速率表觀剪切速率 (牛頓流體牛頓流體)校正剪切速率校正剪切速率 (聚合物熔體聚合物熔體)If n = 0.5, = 1.25 * a.n =d (log )d (log ).polyethylene 0.3 to 0.6polypropylene0.3 to 0.4PVC 0.2 to 0.5 polyamide0.6 to 0.934314wQnrnBagleyBagley校正校正校正的原因校正的原因:

7、:壓力傳感器安裝的位置并不在毛細(xì)管上，而壓力傳感器安裝的位置并不在毛細(xì)管上，而是在料筒筒壁處。是在料筒筒壁處。BagleyBagley提出修正方法：保持壓力梯度不變，將毛細(xì)提出修正方法：保持壓力梯度不變，將毛細(xì)管虛擬地延長，并將入口區(qū)的壓力降等價(jià)為在虛擬管虛擬地延長，并將入口區(qū)的壓力降等價(jià)為在虛擬延長長度上的壓力降延長長度上的壓力降。 B2( +n R)()2wentRPLRPPL 毛細(xì)管壁上真毛細(xì)管壁上真實(shí)剪切應(yīng)力：實(shí)剪切應(yīng)力：3. 錐-板型轉(zhuǎn)子流變儀簡介轉(zhuǎn)子流變儀轉(zhuǎn)子流變儀小角度的振蕩，可以提供如熔融黏度、分子質(zhì)量、重均分子量分布和聚合物松弛等。儲(chǔ)能（彈性）模量及損耗（粘性）模量與振蕩頻率

8、的關(guān)系圖。 錐 和 板對(duì)于平行板，剪切對(duì)于平行板，剪切速率在邊緣最大，速率在邊緣最大，在中心點(diǎn)等于零在中心點(diǎn)等于零對(duì)于錐板，整個(gè)樣對(duì)于錐板，整個(gè)樣品上的剪切速率都品上的剪切速率都是恒定的是恒定的- - 如果間如果間隙正確隙正確! !0s-1 5s-1 10s-110s-1 10s-1 10s-1杯杯 和和 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 (同軸圓桶同軸圓桶) 很寬的間隙很寬的間隙 (1-1.5mm)，適合填充適合填充材料材料 更大的表面積，測(cè)更大的表面積，測(cè)量稀薄液體時(shí)更靈量稀薄液體時(shí)更靈敏敏 減少了揮發(fā)減少了揮發(fā)杯和轉(zhuǎn)子的不利之處杯和轉(zhuǎn)子的不利之處 清除樣品更困難清除樣品更困難 與與 平板加熱體系，平板加熱體系，

9、兼容性相對(duì)較差兼容性相對(duì)較差3.1 錐-板型流變儀測(cè)量粘度原理：當(dāng)圓錐體以一定角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)高分子原理：當(dāng)圓錐體以一定角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)高分子熔體隨之運(yùn)動(dòng)，熔體作用在固定板上的扭矩熔體隨之運(yùn)動(dòng)，熔體作用在固定板上的扭矩N N可通可通過傳感器測(cè)出。過傳感器測(cè)出。332caNR3.3 錐-板型流變儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)粘彈性測(cè)量儲(chǔ)能儲(chǔ)能 ( (彈性彈性) ) 模量模量, , G = G = 應(yīng)力應(yīng)力 x x Cos (Cos (相位角相位角) ) 應(yīng)變應(yīng)變 損耗損耗 ( (粘性粘性) ) 模量模量, , G” = G” = 應(yīng)力應(yīng)力 x x Sin (Sin (相位角相位角) ) 應(yīng)變應(yīng)變復(fù)數(shù)模量復(fù)數(shù)模量

10、, , G G* * = = 應(yīng)力應(yīng)力 應(yīng)變應(yīng)變其中，其中，相位角相位角： 施加信號(hào)和測(cè)量信號(hào)的位相施加信號(hào)和測(cè)量信號(hào)的位相 滯后滯后典型的動(dòng)態(tài)粘彈性測(cè)量結(jié)果典型的動(dòng)態(tài)粘彈性測(cè)量結(jié)果毛細(xì)管流變儀與轉(zhuǎn)子流變儀的區(qū)別？毛細(xì)管流變儀適合測(cè)量的剪切速率大，而轉(zhuǎn)子流變毛細(xì)管流變儀適合測(cè)量的剪切速率大，而轉(zhuǎn)子流變儀適合測(cè)量較小的剪切速率（儀適合測(cè)量較小的剪切速率（1010-4-4100100）毛細(xì)管流變儀主要表征材料的粘性，而轉(zhuǎn)子流變儀毛細(xì)管流變儀主要表征材料的粘性，而轉(zhuǎn)子流變儀可表征材料的粘彈性可表征材料的粘彈性毛細(xì)管流變儀與成型加工更接近。毛細(xì)管流變儀與成型加工更接近。4. 落球式粘度計(jì)的測(cè)量原理原理

11、：將待測(cè)溶液置于玻璃測(cè)粘管中，放入加熱恒原理：將待測(cè)溶液置于玻璃測(cè)粘管中，放入加熱恒溫槽，使之恒溫。然后向管中放入不銹鋼小球，令溫槽，使之恒溫。然后向管中放入不銹鋼小球，令其自由下落，記錄小球恒速下落一段距離其自由下落，記錄小球恒速下落一段距離S S所需時(shí)所需時(shí)間間t t，可計(jì)算出溶液粘度，可計(jì)算出溶液粘度小球下落過程受到三個(gè)力作用：小球下落過程受到三個(gè)力作用：重力重力浮力浮力StokesStokes粘性阻力粘性阻力343bWRg343sfRg6FR 初始時(shí)小球在溶液內(nèi)以加速運(yùn)動(dòng)下落，待速度升初始時(shí)小球在溶液內(nèi)以加速運(yùn)動(dòng)下落，待速度升到一定值時(shí)，受力平衡，恒速下降。到一定值時(shí)，受力平衡，恒速下

12、降。22()9bsWFfgR小球速度可用光電測(cè)速裝置測(cè)量，于是粘度就等于小球速度可用光電測(cè)速裝置測(cè)量，于是粘度就等于特點(diǎn)：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，操作方便結(jié)構(gòu)簡單，操作方便剪切速率小，測(cè)得的粘度近似等于零剪切粘度剪切速率小，測(cè)得的粘度近似等于零剪切粘度可用于研究聚合或降解反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過程可用于研究聚合或降解反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過程22()9bsgRtS5.混煉機(jī)型轉(zhuǎn)矩流變儀的原理和用途原理原理 通過記錄物料在混合過程中轉(zhuǎn)子或螺通過記錄物料在混合過程中轉(zhuǎn)子或螺桿產(chǎn)生的反扭矩以及溫度隨時(shí)間的變化，研究物料桿產(chǎn)生的反扭矩以及溫度隨時(shí)間的變化，研究物料在加工過程中的分散性能、流動(dòng)行為及結(jié)構(gòu)變化。在加工過程中的分散性能

13、、流動(dòng)行為及結(jié)構(gòu)變化。特點(diǎn)特點(diǎn)與實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備（密煉機(jī)、擠出機(jī)）結(jié)構(gòu)類似與實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備（密煉機(jī)、擠出機(jī)）結(jié)構(gòu)類似物料用量少物料用量少適合于生產(chǎn)配方和工藝條件的優(yōu)選適合于生產(chǎn)配方和工藝條件的優(yōu)選轉(zhuǎn)矩流變儀轉(zhuǎn)矩流變儀結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：微機(jī)控制系統(tǒng)微機(jī)控制系統(tǒng) 參數(shù)設(shè)置及結(jié)果顯示參數(shù)設(shè)置及結(jié)果顯示機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制速度、壓力，記錄控制速度、壓力，記錄溫度、壓力和轉(zhuǎn)矩溫度、壓力和轉(zhuǎn)矩可更換的實(shí)驗(yàn)部件可更換的實(shí)驗(yàn)部件密閉式混合器或螺桿擠密閉式混合器或螺桿擠出器出器密煉機(jī)的各種轉(zhuǎn)子密煉機(jī)的各種轉(zhuǎn)子Roller轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子用于混合熱塑性材料，如聚烯烴、聚氯乙烯、工程塑料等Banbury轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子用于混合彈性體，

14、還可用于將粉末混合到熱塑料材料中橡膠行業(yè)中應(yīng)用更為普遍密煉機(jī)轉(zhuǎn)子及應(yīng)用密煉機(jī)轉(zhuǎn)子及應(yīng)用Delta轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子熱固性材料的混合和交聯(lián)，使用540型錐形密煉腔Cam轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子熱塑料、較少軸向分布，陶瓷復(fù)合物、食品（粘稠、高扭矩）Sigma轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子食品應(yīng)用和塑料溶膠（有扭矩限制）密煉機(jī)轉(zhuǎn)子及應(yīng)用密煉機(jī)轉(zhuǎn)子及應(yīng)用密煉機(jī)密煉機(jī)測(cè)量原理測(cè)量原理 32在加熱密煉腔內(nèi)使用反在加熱密煉腔內(nèi)使用反向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的樣品剪向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的樣品剪切過程切過程試驗(yàn)結(jié)果：試驗(yàn)結(jié)果：扭矩扭矩熔體溫度熔體溫度密煉機(jī)密煉機(jī)試驗(yàn)過程試驗(yàn)過程密煉機(jī)清潔密煉機(jī)清潔轉(zhuǎn)矩流變儀的典型曲線-1材料材料：聚烯聚烯烴烴 ：聚乙烯聚乙烯 PE PE 、聚丙烯聚

15、丙烯 PP PP 工程塑料：工程塑料：PSPS、PAPA、PCPC、PEEKPEEK、 LCP LCP 測(cè)試點(diǎn)測(cè)試點(diǎn)：L= L= 加料峰加料峰加入物料，物料較冷，扭矩很加入物料，物料較冷，扭矩很高高M(jìn) = M = 最低點(diǎn)最低點(diǎn) 最低熔體粘度最低熔體粘度 12345678910扭矩 Nm運(yùn)行時(shí)間ML0010203040506070800510152025Time minTorque Nm穩(wěn)定劑對(duì)穩(wěn)定劑對(duì)聚酰胺的影響聚酰胺的影響 PA6（使用穩(wěn)定劑）PA6（不使用穩(wěn)定劑）Rheomix600, Roller轉(zhuǎn)子溫度：280, 質(zhì)量：52g, 轉(zhuǎn)速：60 rpm0510152025300246810

16、1214使用不同炭黑的使用不同炭黑的SANTorque Nm時(shí)間 分Rheomix600, Roller轉(zhuǎn)子溫度：230, 質(zhì)量：58g, 轉(zhuǎn)速：40 rpmSAN & 30% 炭黑 2SAN & 30% 炭黑 1扭矩材料材料：PVC PVC （硬質(zhì)）（硬質(zhì)）測(cè)試點(diǎn)測(cè)試點(diǎn)：L =L =加料峰加料峰V = V = 谷點(diǎn)谷點(diǎn) （熔融過程的起始點(diǎn)熔融過程的起始點(diǎn)）F = F = 塑化峰塑化峰 （ 熔融過程完成熔融過程完成）M = M = 最低點(diǎn)最低點(diǎn)012345678910扭矩 Nm運(yùn)行時(shí)間 minLFVM轉(zhuǎn)矩流變儀的典型曲線-2Rheomix600, Roller轉(zhuǎn)子, 溫度：160, 轉(zhuǎn)速：40

17、 rpmm：66 gm：60 gm：64 g樣品量對(duì)樣品量對(duì)PVC熔融的影響熔融的影響材料材料：PVC PVC （硬質(zhì)）（硬質(zhì)） 穩(wěn)定性試驗(yàn)穩(wěn)定性試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)測(cè)試點(diǎn)：L = L = 加料峰加料峰V = V = 谷點(diǎn)谷點(diǎn) （熔融過程起始點(diǎn)熔融過程起始點(diǎn)）F = F = 塑化峰塑化峰 （ 熔融過程結(jié)束熔融過程結(jié)束）S = S = 穩(wěn)定扭矩穩(wěn)定扭矩M = M = 最低點(diǎn)最低點(diǎn)O = O = 分解發(fā)生分解發(fā)生D = D = 分解分解峰值峰值036912151821242730扭矩 Nm運(yùn)行時(shí)間 minutes穩(wěn)定時(shí)間DOMSFVL轉(zhuǎn)矩流變儀的典型曲線-30510152025303540455005101520Time minTorque NmRheomix600, Roller轉(zhuǎn)子溫度：170 , 轉(zhuǎn)速：60rpm, 質(zhì)量：65ga： PVC 干混料（ 穩(wěn)定劑1.9%）b： PVC 干混料 （穩(wěn)定劑 2.0%）aabb應(yīng)用：應(yīng)用：PVC 穩(wěn)定性試驗(yàn)穩(wěn)定性試驗(yàn)材料：材料： PVC PVC 粒料粒料（穩(wěn)定性試驗(yàn)穩(wěn)定性試驗(yàn)）交聯(lián)材料交聯(lián)材料 （PEPE、橡膠、橡膠、熱固性材料熱固性材料 ）測(cè)試點(diǎn)測(cè)試點(diǎn)：L =L =加料峰加料峰S