第六章流變儀

第六章流變測量學(xué)流變測量學(xué)的任務(wù)常用的流變測量儀器毛細(xì)管型流變儀轉(zhuǎn)子型流變儀混煉型轉(zhuǎn)矩流變儀振蕩型流變儀加工條件（壓力、扭矩、轉(zhuǎn)速、頻率、流量、溫度等）流變性質(zhì)（應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速率、粘度、模量等）2.毛細(xì)管流變儀的測量原理和方法2.1毛細(xì)管流變儀的基本構(gòu)造優(yōu)點(diǎn)：操作簡單，測量準(zhǔn)確測量范圍廣闊（）測量物料的剪切粘度物料的流動(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)測量原理的不同，毛細(xì)管流變儀可分為：恒速型柱塞下壓速度恒定，待測定的量為毛細(xì)管兩端的壓差恒壓型柱塞前進(jìn)壓力恒定，待測定的量為物料的擠出速度（流量）熔融指數(shù)儀熔融指數(shù)儀結(jié)構(gòu)原理圖熔融指數(shù)高的物料適合什么工藝？注塑成型熔融指數(shù)低的物料適合什么工藝？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。本節(jié)重點(diǎn)討論恒速型毛細(xì)管流變儀2.2完全發(fā)展區(qū)內(nèi)的流場分析黏度需在此區(qū)域內(nèi)測量剪切黏度=剪切應(yīng)力/剪切速率假定條件完全發(fā)展流動(dòng)-穩(wěn)態(tài)條件恒溫，層流材料粘附在管壁，沒有滑移管壁處流速為0管壁處剪切速率最大-這也是我們在所有測試中提到的剪切速率速度只是徑向分布樣品不可壓縮2.2.1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R，完全發(fā)展區(qū)長度為L將式（6-4）積分得到毛細(xì)管內(nèi)的剪切應(yīng)力分布為：任意點(diǎn)r處的剪切應(yīng)力：牛頓流體2.2.2剪切速率的計(jì)算剪切速率速度體積流量毛細(xì)管流變儀表觀剪切速率計(jì)算公式：哈根-泊肅葉方程（Hagen-Poiseuille方程）表觀剪切粘度：控制：活塞速率表觀剪切粘度牛頓流體聚合物流體問題：表觀剪切粘度是否是真實(shí)粘度？不是，還需經(jīng)過Bagley校正和Rabinowitisch校正，才能得到真實(shí)粘度Rabinowitisch校正表觀剪切速率(牛頓流體)校正剪切速率(聚合物熔體)Ifn=0.5,=1.25*γa.n=d(log)d(log).polyethylene 0.3to0.6polypropylene 0.3to0.4PVC 0.2to0.5polyamide 0.6to0.9Bagley校正校正的原因: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。Bagley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)為在虛擬延長長度上的壓力降。

毛細(xì)管壁上真實(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。儲能（彈性）模量及損耗（粘性）模量與振蕩頻率的關(guān)系圖。錐和板對于平行板，剪切速率在邊緣最大，在中心點(diǎn)等于零對于錐板，整個(gè)樣品上的剪切速率都是恒定的-如果間隙正確!0s-15s-110s-110s-110s-110s-1杯和轉(zhuǎn)子(同軸圓桶)很寬的間隙(1-1.5mm)，適合填充材料更大的表面積，測量稀薄液體時(shí)更靈敏減少了揮發(fā)杯和轉(zhuǎn)子的不利之處

清除樣品更困難與

平板加熱體系，兼容性相對較差3.1錐-板型流變儀測量粘度原理：當(dāng)圓錐體以一定角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)高分子熔體隨之運(yùn)動(dòng)，熔體作用在固定板上的扭矩N可通過傳感器測出。3.3錐-板型流變儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)粘彈性測量儲能(彈性)模量,G’=

應(yīng)力

xCos(相位角)

應(yīng)變

損耗(粘性)模量,G”=

應(yīng)力

xSin(相位角)

應(yīng)變復(fù)數(shù)模量,G* =

應(yīng)力

應(yīng)變

其中，相位角：施加信號和測量信號的位相

滯后典型的動(dòng)態(tài)粘彈性測量結(jié)果毛細(xì)管流變儀與轉(zhuǎn)子流變儀的區(qū)別？毛細(xì)管流變儀適合測量的剪切速率大，而轉(zhuǎn)子流變儀適合測量較小的剪切速率（10-4~100）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)的測量原理原理：將待測溶液置于玻璃測粘管中，放入加熱恒溫槽，使之恒溫。然后向管中放入不銹鋼小球，令其自由下落，記錄小球恒速下落一段距離S所需時(shí)間t，可計(jì)算出溶液粘度小球下落過程受到三個(gè)力作用：重力浮力Stokes粘性阻力初始時(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。小球速度可用光電測速裝置測量，于是粘度就等于特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，操作方便剪切速率小，測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5.混煉機(jī)型轉(zhuǎn)矩流變儀的原理和用途原理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，研究物料在加工過程中的分散性能、流動(dòng)行為及結(jié)構(gòu)變化。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)類似物料用量少適合于生產(chǎn)配方和工藝條件的優(yōu)選轉(zhuǎn)矩流變儀結(jié)構(gòu)：微機(jī)控制系統(tǒng)

參數(shù)設(shè)置及結(jié)果顯示機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制速度、壓力，記錄溫度、壓力和轉(zhuǎn)矩可更換的實(shí)驗(yàn)部件密閉式混合器或螺桿擠出器密煉機(jī)的各種轉(zhuǎn)子Roller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)子用于混合彈性體，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Delta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

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

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)–測量原理

32在加熱密煉腔內(nèi)使用反向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的樣品剪切過程試驗(yàn)結(jié)果：扭矩熔體溫度密煉機(jī)試驗(yàn)過程密煉機(jī)清潔轉(zhuǎn)矩流變儀的典型曲線-1材料：聚烯烴：

聚乙烯PE、聚丙烯PP工程塑料：

PS、PA、PC、PEEK、LCP測試點(diǎn)：L=加料峰加入物料，物料較冷，扭矩很高M(jìn)=最低點(diǎn)最低熔體粘度

12345678910扭矩[Nm]運(yùn)行時(shí)間ML0穩(wěn)定劑對聚酰胺的影響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：60rpm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：40rpmSAN&30%炭黑2SAN&30%炭黑1扭矩材料：PVC（硬質(zhì)）測試點(diǎn)：L=加料峰V=谷點(diǎn)

（熔融過程的起始點(diǎn)）F=塑化峰

（熔融過程完成）M=最低點(diǎn)012345678910扭矩[Nm]運(yùn)行時(shí)間[min]LFVM轉(zhuǎn)矩流變儀的典型曲線-2Rheomix600,Roller轉(zhuǎn)子,溫度：160℃,轉(zhuǎn)速：40rpmm：66gm：60gm：64g樣品量對PVC熔融的影響材料：PVC（硬質(zhì)）穩(wěn)定性試驗(yàn)測試點(diǎn)：L=加料峰V=谷點(diǎn)

（熔融過程起始點(diǎn)）F=塑化峰

（熔融過程結(jié)束）S=穩(wěn)定扭矩M=最低點(diǎn)O=分解發(fā)生D=分解峰值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-3Rheomix600,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：PVC穩(wěn)定性試驗(yàn)材料：PVC粒料（穩(wěn)定性試驗(yàn)）交聯(lián)材料（PE、橡膠、熱固性材料）

測試點(diǎn)：

L=加料峰S=穩(wěn)定扭矩M