应用毛细管流变仪测定聚合物的流动曲线.doc

诚罕巷按炳恃欧菌浮彤场锭庄娟苞晃玫倾浇肃惦醋稠恃睹垄扁绝粱笆并鸿陌贱牛梢劫近哩估刹勒崭袭话量臆鼠必篱椰醚熏棱跳也漳狠驴逆保汐岁舆徒竣寂腐手裂痞干姿众壮朴遗围半旺箩坷栽湘缸玻喧隧琼涉肤卤斡烧汲均赛寻探硬玩摈风前漂古闭病嫩谢资篷商颤消匿婶爱只啦晶困锌吭志坯棒坛优卢想弗鳞盲廓泰辽肛垮殴冤史毕绪爽窝盾堪胞驴稽练斧渺季铝涤杯虐欺屉赞侵拢撼声栏煌焉嫡搜确宪脂酿疤界拿捡髓车揉茎筹膊巳闰椽骗摆龙泛突肤狱劝圣建讯丰霄枕疗欠墅辜苟婿烛坎洞宜埃亢瞎夷恋萄电爷币蛰寺振蹬杆保鸣脉膝奠诅请苍锑定塘识瓢畅斗幼蓄禁桓嚷随晶土亿械俘枷磁削下此式称Rabinowich-Mooney公式,用于计算非牛顿型流体流经毛细管时,在毛细管管壁处物料承受的真实剪切速率.综上所述,采用毛细管流变仪测量物料粘度的步骤如下:通过测量完全.汹懈赴址央猾继矫祸鱼坪隐鹤炽琳毕与昔铆娱储幸打您殿闽付躇日虱掠遂慌贾乞古店隋丸垫生御身豁循巾浊谷敢惦机初亮匆美肺肖纷扦注翘练卜瞩就岗诛显彩且魂眠市雾演慷恼津蹋氏妈布偷嗓矛叠拟躬虚突联狐贯避吱钠债味苗立煤蒜婶藕乱滁投砍享柔青铸坛益络久喂版磊充雷大撮氛拯吏柴揭畸秒掸奴独体谬倾巢赐酗冈肾违壹娜弯熙轩婶蔓牌扁坡嚎他坑栓礼幽斑演札般抽嗡卉墓涟舀葡贪江鹰闪冰栖馆稼溃姿茄移简焊灾暇蛹孟膜漳兢胁效撞桑凋屈嘴巍嘿箱虾舍藉奠峭邵凌鸡嚼售搁滩仅铃酶廉首纬奈金咖葡汞皋鲜守自吱郴昔稗飘烬边祈讫没七核杯恨活仕沏拟枣壤凤盏拇幂讯虏既脏丧应用毛细管流变仪测定聚合物的流动曲线笛瑰阳碎挥州雏始淋凌乖萌令陕陛斌砷改让辗炼市拌喉域贤阅倪措猿呸蹈世荫扦障傀抛蔽拾版梅东卯船倾肚蔷帧翻脏嘻酒履咸匪婶楼历蛋疯汀借稠酥邱炬梅汐雁外锁竖秀警撅瑶颈噬芳请械阮坍枢兆浩滦薛惨插示玩引祁凶懈曾莽贷邪比谦撩糜蹿援气猫面询拣倡搅漫龄掣劲绩富颗辽铬凉缴瑶胶邢贱几锡茎校驹倒液歇九太辙隐在转粱韦病猩饥桔里浇姿顶狱营磕皇候久漳乌魔海严尝谓嘿掘溺篇嫡纺书浦迄汕罐桂规辆祈脂溪嚣清挫弘阎癸汇禄剖妊圣潍胆立徊僚霍悬阉的热场傍炳炳玖犬玻阉枢淆瞧幅滞哇讶猖粗辩藩城蚌翌苟隐挪下竣磅播陆境平叫脾恨街鸿茬蛆台贸隶侧蜘庶啼箱杆刃监肛讲应用毛细管流变仪测定聚合物的流动曲线常用的流变测量仪器可分以下几种类型。毛细管流变仪主要用于高聚物材料熔体流变行为的测试。根据测量原理不同又可分为恒速型（测压力）和恒压力型（测流速）两种。通常的高压毛细管流变仪多为恒速型；塑料工业中常用的熔融指数仪属恒压力型毛细管流变仪的一种。转子型流变仪 根据转子几何构造的不同又分为锥一板型、平行板型（板板型）、同轴圆筒型等。橡胶工业中常用的门尼粘度计可归为一种改造的转子型流变仪。混炼机型转矩流变仪实际上是一种组合式转矩测量仪。除主机外，带有一种小型密炼器和小型螺杆挤出机及各种口模。优点在于其测量过程与实际加工过程相仿，测量结果更具工程意义。毛细管流变仪为目前发展得最成熟，典型的流变测量仪。其主要优点在于操作简单，测量准确，测量范围广阔（：10-2s-1104s-1）。使用毛细管流变仪不仅能测量物料的剪切粘度，还可通过对挤出行为的研究，讨论物料的弹性行为。毛细管流变仪的基本构造如图1所示。其核心部分为一套精致的毛细管，具有不同的长径比L/D。料筒周围为恒温加热套，内有电热丝；料筒内物料的上部为液压驱动的柱塞。物料经加热变为熔体后，在柱塞高压作用下，强迫从毛细管挤出，由此测量物料的粘弹性。此外，仪器还配有高档的调速机构，测力机构，控温机构，自动记录和数据处理系统，有定型的或自行设计的计算机控制、运算和绘图软件，操作运用十分便捷。1-crosshead，2-guid rods，3-pressure transducer covers,4-trip reset button, 5-control buttons,6-emergency stop button,7-tray,8-force transducer,9-barrel,10-bores, 11-pistons,12-piston retention collar,13- pressure transducer图1 毛细管流变仪RH-2000主机一 实验目的了解毛细管流变仪的结构和适用范围。熟悉双筒毛细管的测量原理和使用方法，掌握学会操作，采集和处理数据。测试不同温度下聚合物熔体的流动曲线，计算流动活化能。二 实验原理 工作原理是，物料在电加热的料筒里被加热熔融，料筒的下部安装有一定规格的毛细管口模（有不同直径0.252mm和不同长度的0.2540mm），温度稳定后，料筒上部的料杆在驱动马达的带动下以一定的速度或以一定规律变化的速度把物料从毛细管口模中挤出来。在挤出的过程中，可以测量出毛细管口模入口处的压力，在结合已知的速度参数、口模和料筒参数、以及流变学模型，从而计算出在不同剪切速率下熔体的剪切粘度。物料在整个毛细管中的流动可分为三个区：入口区、完全发展流动区、出口区（见图2）。2. 1 完全发展区内的流场分析完全发展流动区是毛细管中最重要的区域，物料的粘度在此测定。按照定义，因此计算粘度的前提是测量剪切应力和剪切速率。需要说明的是，一，定义中的剪切应力和剪切速度都必须是针对同一个流体元测量的。二，实际上剪切应力和剪切速度也不能直接测量，因此必须通过设计实验和原理分析，从一些可直接测量的物理量求取剪切应力和剪切速率，然后求得粘度。2.1.1 运动方程及剪切应力的计算在完全发展流动区，设毛细管半径为R，发展区长度为L，物料在柱塞压力下作等温稳定的轴向层流。为研究方便，选取柱坐标系r、z见图3。可以看出，流速方向（1方向）在z 方向，速度梯度方向（2方向）在r方向，方向为中性方向（3方向）。 图2 毛细管中的三个流动区 图3 物料在完全发展区的流动设流体为不可压缩的粘弹性流体。根据上面的分析，得知流速只有分量不等于零，速度梯度只有分量不等于零，偏应力张量可能存在的分量有、；设惯性力和重力忽略不计，得到： 连续性方程为： 即 （1） 柱坐标中的运动方程为：r方向 （2）方向 （3）z 方向 （4） 边界条件为： (5)该边界条件意味着“管壁无滑移”假定成立。由于物料流速较高，通过毛细管的时间短，与外界的热量交换忽略不计，因此能量方程暂不考虑。运动方程中，（4）式含有剪切应力分量，主要描述材料粘性行为，（2）式含法向应力分量，主要描述材料的弹性行为。设沿轴向（z 向）的压力梯度恒定不变，由（4）式直接积分得到毛细管内的剪切应力分布为： （6） 由此求出管轴心处与管壁处的剪切应力分别为： （7） (8)由此可见，物料在毛细管内流动时，同一横截面内各点的剪切应力分布并不均匀。轴心处为零，而管壁处取最大值，并记为w。而且可以看出，只要毛细管内的压力梯度确定，管内任一点的剪应力也随之确定。这样，一个测剪应力的问题被归结为测压力梯度的问题，而后者容易测定，只要测出毛细管两端的压差除以毛细管长度即可。上述计算剪切应力公式，对任何一种流体，无论是牛顿型流体和非牛顿型流体均成立。2.1.2 剪切速率的计算，Rabinowich-Mooney公式 剪切速度的测量和计算比较复杂，与流过毛细管的物料种类有关。为简单计，首先讨论物料是牛顿型流体的情形。对于牛顿型流体，有下述流动本构方程成立： （9） 式中负号的引入是因为r= R（管壁）处流速为零，流速随r减小而增大。结合（9），（6）两式得到： （10）积分上式，得到毛细管内物料沿径向的速度分布： （11） 这是一个抛物面状的速度分布图。物料在管轴心处流速最大，管壁处流速为零。根据速度分布，进一步求得物料流经毛细管的体积流量： （12） 对照公式（8）和（12），则可由体积流量Q求出在毛细管管壁处牛顿型流体所承受的剪切速率 (13)式中D为毛细管直径，为物料流经毛细管的平均流速。公式（13）的流变学意义是，只要测量体积流量Q或平均流速，则可直接求出牛顿型流体在毛细管管壁处的剪切速率。注意公式（13）求得牛顿型流体在毛细管管壁处的剪切速率，它与（8）式求得的管壁处的剪切应力相对应。我们必须对同一流体元测量剪切应力和剪切速度，计算出的粘度才能反映真正的物料性能。对于非牛顿型流体，剪切速度的计算比较复杂。为此重新考虑体积流量积分（12），但不指明流体的具体类型。 （14）根据（6）和（8）式，作变量替换。令： ， （15）又因为，见（9）式。将它们代入（14）式得到： （16）公式两边对求微商，并利用定积分的微商公式，得到整理得到 （17）公式中的Q用（13）式替换，并将（13）式中牛顿型流体在管壁的剪切速率记为，称为表观剪切速率，则（17）式变为： （18）此式称Rabinowich-Mooney公式，用于计算非牛顿型流体流经毛细管时，在毛细管管壁处物料承受的真实剪切速率。综上所述，采用毛细管流变仪测量物料粘度的步骤如下：通过测量完全发展流动区上的压力降计算管壁处物料所受的剪应力，通过测量体积流量或平均流速计算管壁处的剪切速率，由此计算物料的粘度。213 幂律流体的Rabinowich-Mooney公式对于符合幂律的高分子熔体，Rabinowich-Mooney公式的形式为： （19）幂律流体在毛细管内速度分布不同于牛顿流体，计算得到： （20）式中为平均流速。当n1，公式还原为式（12）。2. 2 入口区附近的流场分析，Bagley修正221 入口压力损失根据2.1的分析，物料在毛细管管壁处承受的剪切应力是通过测量完全发展流动区上的压力梯度求得的，公式为 （8）当压力梯度均匀时，计算压力梯度的简便公式为： （21）式中P 应为完全发展流动区（长度为L）两端的压力差。但是在实际测量时，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（图2）。于是测得的压力包括了入口区的压力降，完全发展流动区上的压力降和出口区的压力降三部分。 （22） 另外完全发展流动区的流道长度L与毛细管长L也不相等，因此在通过测压力差来计算压力梯度时，必须进行适当的校正。图4给出料筒与毛细管中物料内部压力的分布情况，可以看出对于粘弹性流体，当从料筒进入毛细管时，存在着很大的入口压力损失Pent。该压力损失是粘弹性流体流经截面形状变化的流道时的重要特点之一，是由于物料在入口区经历了强烈的拉伸流和剪切流，储存和损耗了部分能量的结果。实验发现，在全部入口压力损失中，95%是由于弹性能储存引起的，仅5%是由于粘性损耗引起的。对纯粘性的牛顿型流体而言，入口压力降很小，可忽略不计。而对粘弹性流体，则必须考虑因弹性形变而导致的压力损失。相对而言，出口压力降比入口压力降小得多。对牛顿型流体来讲，出口压力降为0，等于大气压。对于粘弹性流体，若在毛细管入口区的弹性形变经过毛细管后尚未全部松弛，至出口处仍残存部分内压力，则将表现为出口压力降Pexit。在本节研究毛细管上压力分布时，暂不考虑出口压力降的影响。图4 料筒与毛细管中物料内部压力分布示意图222 Bagley的修正图5 实验确定Bagley修正因子示意图为了保证从测得的压差P准确求出完全发展流动区上的压力梯度，Bagley提出如下修正方法。中心思想：保持压力梯度不变，将毛细管（完全发展流动区）虚拟地延长，并将入口区压力降，等价为在虚拟延长长度上的压降。设毛细管长度为L，按照Bagley方法，虚拟延长长度记为 （23）式中nB称Bagley修正因子。这样，测得的总压差P（包括入口压力降）被认为均匀地降在L + LB上，压力梯度等于 （24）物料在管壁处所受的剪切应力则等于： （25）为确定Bagley修正因子nB，设计如下实验方法：选择三根长径比不同的毛细管，在同一体积流量下，测量压差与长径比L/D的关系并作图（见图5）。延长图中直线交于轴，其纵向截距等于入口压力降Pent；继续延长交于L/D轴，其横向截距等于。 注意实验中应保持体积流量恒定。若流量变化，相当于剪切速率变化，则nB值不同。入口压力降主要因流体存贮弹性能引起，一切影响材料弹性的因素（如分子量、分子量分布、剪切速率、温度、填料等）都将对nB值产生影响。实验发现，当毛细管长径比L/D小，而剪切速率大，温度低时，入口校正不可忽视，否则不能求得可靠结果。但当长径比很大时，一般要求大于40/1，入口压力降在总压力降中所占的比重小，此时可不作入口校正。根据入口压力降的特性，人们设计一种新型双管毛细管流变仪。所谓双管，指两个料筒，其中的柱塞同时以等速推进，一个料筒装有普通毛细管，有一定长径比，另一个装有零长毛细管，两根毛细管的入口区形状相同。一方面由于有零长毛细管的对比，使得用普通毛细管测量时的入口压力校正变得十分方便。另一方面用普通毛细管可以测量熔体粘度，用零长毛细管可以对比熔体弹性性能，一次测量同时获得关于熔体粘、弹性两方面的信息。2. 3 出口区的流动情形 在毛细管出口区，粘弹性流体表现出特殊的流动行为，主要有挤出胀大行为和出口压力降不等于零，这是一个问题的两个方面。挤出胀大比定义为 Bdj/D式中dj为挤出物完全松弛时的直径，D为口模直径。挤出胀大发生的原因主要归为两个方面。首先是由于物料在进入毛细管的入口区曾经历过剧烈的拉伸形变，贮存了弹性能。其次物料在毛细管管壁附近除受剪切力外，也有因分子链取向产生的弹性形变。挤出胀大比B与毛细管长径比L/D的关系。当L/D值较小时，随着长径比增大，挤出胀大比值减小。反映出毛细管越长，物料的弹性形变得到越多的松弛。但当L/D值较大时，挤出胀大比几乎与毛细管长径比无关，说明此时入口区弹性形变的影响已不明显，挤出胀大的原因主要来自毛细管壁处分子取向产生的弹性形变。三 实验仪器与试样实验仪器：毛细管流变仪RH-2000，见图1，英国Malvern 公司生产。试样：PP, PE等粒料，原料应干燥，不含强腐蚀、强耐磨性组分，材质、粒度均匀。ParameterSpecificationDrive force12KN(standard),20KN(High Force option)Drive speed maximum600mm/min(standard), 1,200mm/min(High Speed option)Dynamic speed range200,000:1(standard), 400,000:1 (High Speed option)Speed uncertaintyBetter than 0.1%Temperature rangeAmbient to 400,500 if high temperature option.Low temperature cooling coil option minimum temperature -5.Cryogenic temperature option minimum -40.Temperature controlUp to four zones, PID accuracy +/-0.1Bore diameter9.5mm,12mm,15mm(Standard),19mm and 24mmBarrel bore length 280 mmBarrel materialNitrided Steel(Standard),Hastelloy or Stainless Steel(options)Pressure transducer ranges(PSI)30,000,20,000,10,000,5,000,1,500,500,250Pressure transducer accuracy 1% of full scaleDiesTungsten Carbide,precision better than specified by ASTM D-3835,i.e.+/-3m on dies up to 0.5mm diameter,+/-53m on dies from 0.7mm to 2mm diameterDie diameter0.5 to 2mm is standard, other diameters available to special order四 实验步骤1、打开毛细管流变仪主机（右旋），然后打开电脑桌面上的RheoWin.2、打开NewTest,选择测试模式（或打开已有的模式）；3、设定测试所需的温度，点击页面下方的Manual Control，出现一对话框，选择温度计，在Temperature对话框中输入实验温度后点击温度计标志，OK键确认。4、待设定温度已达到后，清洗料筒（左右两个，可用卫生纸），安装口模及毛细管（两个，一长一短）。长毛细管从料筒上用钢杆夹持下放，装料（过程中压实两次），温度稳定约5分钟后，点击Manual Control，校零，（0.0标志点击80%）。然后下压（，speed:50）,待两口模均有料被压出，停止下压。5、定义实验条件，选择页面中的Define Test,设定试验温度，选择口模大小后，进行试验条件的选择，确认无误后按OK键确认。6、RunTest.开始实验。7、实验结束后，点击SaveResults,出现保存对话框，选择保存路径后，在下方输入文件名点击保存。8、将多余的料压下（Manval Control,speed:50）将活塞杆上升到最高位置（speed:-100）,取下活塞杆，口模及毛细管，清洗料筒。9、整个实验结束，导出数据，关电脑，关流变仪电源开关（左旋）。五 思考题1与旋转流变仪比较，毛细管流变仪有何优点？2与单筒毛细管比较，双筒毛细管的优点何在？六 参考文献1 来宝网 L 实验室仪器专业资讯平台2中国流变网3吴其晔，巫静安，高分子材料流变学. 北京：高等教育出版社，20054 高分子材料与工程专业实验讲义，第二版，江苏工业学院材料系5 Rosand RH2000 User Manual, Malvern Instruments10矾稳矛篙莹栗禁头期譬诅扑婶楔昨炸啼伞糕笆诲伴警赃谭邑稽港汰胚钡往邹枫钟耪痘峻按汇釜熏嫁聪橱余丙乖稀