门尼粘度仪简介.doc

门尼粘度仪简介：一. 规范：门尼测试是根据以下规范实施：1. ASTM D16462. JIS K63003. ISO 2894. GB/T 1232 5. DIN 535256. BS 16737. AFNOR T43-004/0058. GOST 10722-769. TGL 25-689 二. 测试方法：门尼粘度仪（Mooney Viscometer）有几个测试方法：门尼测试的方法为在密闭的模腔内有一支转子（Rotor），测试温度为100、125及135（此温度用于焦烧（Scorch）测试），测试时先将温度达到设定值（现在新的仪器设计从室温到100通常只需时2.53分钟，旧系统约需要4060分钟），再以橡胶试片将转子包覆于模腔正中位置（如图1.示），以每分钟2转（2 rpm，0.21rad/s 0.02 rpm）的速度转动转子，量测其扭力的变化，以其值定义为门尼粘度值 图1. 门尼值的定义为100M(粘度值单位)等于73.5lb-in或8.3N-m，校正时也以100M为校正点，校正精度值为0.5M，试片分为上下两片，总体积为253cm3，其中下面一片中间需打孔，孔的大小视转子中心轴直径大小而定，以方便转子插入，不同厂家生产的设备，中心轴的直径由于设计不同，可能会有些微差距，但是不论如何其只会有些微的差距，现在市售有定体积裁切机，透过特殊设计的裁切机构及裁刀，可以精确的裁切出正确的试片体积，另外有些使用者则只是以重量控制体积，透过比重和体积的乖积，可以得到重量，不管使用哪种方式，都要确保体积维持在许可的范围内，须知不足的试样无法充满模腔，无法测得正确数据，试样太大会造成合模的困难。因为未硫化橡胶于测试后容易沾粘于模腔或转子上，所以测试时可以高密度PE（HDPE：High Density PE）薄膜纸放在转子及模腔上（图2.示）根据规范HDPE的厚度不得超过0.04mm（0.0015in），以免影响测试结果，有些操作者只放film A，有些操作者同时放film A及film B，这是因为转子比较容易清洁，另外是可更精确的量测到胶料的门尼值，因为量测到的完全是胶料，中间没有掺杂了薄膜纸在其中，但是不管如何，对同样的胶进行测试时所用的方式要一致，以避免对比误差的造成。模腔内部花纹目前有二种，这两种方式目前都有人使用，一种为格子状（Serrated）一种为放射状（Radial Grooved）（如图3.示），格子状日系设备用的比较多，但其它国家则是放射状用的较多，一般而言花纹会影响扭力，由于模子结构也可能会有不同，模腔温度也会有些许不同，对测试结果也会有所影响，所以要比对数据时也要注意到所使用的花纹的型式。新式的门尼粘度仪由于结构设计的改善及控制技术的进步，回温速度（Temperature recovery）较快（约3050秒，旧式约为45分钟），且升温时温度超越设定值（over shoot）也很小（约0.3度，旧式约1），可更精确的控制温度，所量测得出的门尼值也更精确，但是相对的测试结果也会和旧式门尼粘度仪的测试结果会有所不同。 Film AFilm B 图2. 图3.目前市面上的门尼粘度仪测温棒是在模子本体上，这是因为原有的标准就是这样，现在新的标准是延用原有标准，新增建议将测温棒放在测试样品的内部（如图4.示），但现阶段可能是使用成本及制造技术上的原因，很少人使，还是停留在研究阶段，所以还只是建议使用，并未列入强制要求项目。 图4.门尼粘度试验机可做以下的测试：1. 门尼粘度测试（Mooney test）：门尼粘度测试有几种型式分别为：a. 小转子：用于粘度值很高的生胶或混练胶，测试时间为预热1分锺，测试4或8分钟（此时间根据测试胶种不同而不同），测试温度为100或125，测试时间及温度可以参考规范对各种不同胶料的试验方法规定，在某些情况下可能会有些非标准的试验方法，那可能是使用者自定的测试方法。b. 大转子：用于一般的生胶或混练胶，测试时间为预热1分锺，测试4或8分钟（此时间根据测试胶料不同而不同），测试温度为100或125，测试时间及温度可以参考规范对各种不同胶料的试验方法规定，在某些情况下可能会有些非标准的试验方法，那可能是使用者自定的测试方法。【注1】：大小转子的选择是以门尼值的大小决定，门尼值很高的话建议用小转子，避免超过机器的最高负荷，反之则用大转子，使门尼值高一点，感度高一点，一般都是使用大转子，除非是门尼值很高的情况才会使用小转子。2. 焦烧测试（Scorch test）：焦烧测试一样分二种型式试分别为：a. 小转子：用于粘度值很高的混练胶，测试温度一般规范为135（或可由使用者依工厂加工特性另定），一样是预热1分钟，测试至设定门尼值时自动停止，一般测试结果为T3、T18、Ts（T18-T3）、SR。b. 大转子：用于一般的混练胶，测试温度一般规范为135（或可由使用者依工厂加工特性另定），一样是预热1分钟，测试至设定门尼值时自动停止，一般测试结果为T5、T35、Tl（T35-T5）、SR。3. 应力松弛试验（Mooney relaxation test）：应力松弛是指在固定形变下，应力随时间衰减的值，在门尼粘度仪上的测试方法为于测试完成后立刻停止马达，将转子完全停住（剎车时间需小于0.1秒）使其形变量不再改变，门尼值会因松弛效应，应力会慢慢降低，逐渐回复至设定的门尼值或时间后停止测试，记录门尼值随时间的变化状况，透过对数坐标方式呈现，使图形的可读性更高，然后计算其k值、a值、A值及r值。目前市场上有些产品因为剎车时间错误而造成应力松弛试验结果数据的错误，常造成用户判断上的困扰，需知错误的实验数据就失去了实验的目的，如果用了错误的实验方法，那么实验的意义就不存在了，左图是正确的剎车时间，右图是过长的剎车时间，很明显的右图的剎车时间过长，以致于松弛时间较长，剎车时间不同比较图ASTM标准剎车时间测出的结果 过长的剎车时间测出的结果三. 测试时机及目的：门尼测试可得知高分子的分子量及分子量分布、分子的聚合度，相同的分子量由于分子分布的不同也会得到不同的门尼值。通常门尼测试的时机为下述三个过程中：a. 生胶（Unmassed）：为控制好混练的均一性，一般生胶都要先控制好粘度值，以避免在混练过程造成困扰，因为不同的粘度胶体的剪切应力不同造成温升不同，混练质量不易控制，所以在生胶时有必要对门尼值给予适度的控制或处理，例如以开练机素练几次以降低门尼值、将不同粘度值的生胶混在一起，调整门尼值、加入适当的加工助剂改变门尼值（如油脂类或其它的加工助剂）等，让后段加工得以受到控制。b. 混练胶（Compounded .or. Massed）：混练胶的粘度值会影响到制品的质量，如制品表面粗度，制品尺寸控制。通常混练胶门尼值高的话由于流动性较差，制品表面可能较为不平坦，可能会较粗糙或产生气孔。而混练胶的门尼值无法控制在一定范围时，会造成口型膨胀（由A胀到B）率不同，制品尺寸将无法控制如图4.示，在押出机上，胶料经挤压经过挤出口时由于挤出口较小，胶料在这个位置将受到某种程度的压缩，而造成分子密度较高，而不同的门尼值，由于流动性的不同，流速会不一样，所以胶料受压缩的程度也不同，当胶料通过挤出口后，由于压力释放，所以会造成口型膨胀，当然不同的挤压程度也会造成不同的口型膨胀率，所以为得到产品尺寸的一致性，对混练胶的门尼粘度控制是很重要的。另外门尼值对产品的离模效果也会有影响，适度的调整门尼值对改善离模效果是有帮助的，理论上如果生胶控制的好，配方不变的话，混练胶的门尼值应该是一样的，但是由于混练过程有时会因人、设备、操作过程、加工剂助剂质量的变异、环境变异（如环境温度.等）都可能会有影响，所以为了保证制品的质量及减少不良品的产生，混练胶的测试是有其必要性，另外于新配方的开发，为了确定加工性及制品的尺寸安定性，其必要性更是不容忽视的。料管挤押送料挤出口AB 门尼值低 门尼值高圖4.另外，焦烧测试可测得焦烧时间及硫化速率，在挤出成型及注射成型的加工方式，由于在料管内要将胶料送出是以螺旋杆旋转方式将胶料送出，而螺旋杆在转动时对胶料分子间会有拉扯剪切的作用，胶料容易因剪切应力而产生温度，门尼测试由于转子也是转动状态，对橡胶分子也会产生明显剪切作用，比较接进生产时的状况，所以在早期焦烧测试这种方式会比流变仪更理想，另外正确的控制早期焦烧时间也可以避免未硫化橡胶在贮存或混练过程中焦烧而无法使用的风险，因为太短的焦烧时间本身焦烧的风险就大，另外也有可能会因操作人员的熟练度不够延长了操作时间造成焦烧。c. 未加硫化剂或促进剂的混练胶：为避免不必要的浪费，于未加硫化剂及促进剂的混练胶进行门尼测试是有其必要性，因为当门尼值不在预期范围内时可以再重新混练、再添加加工助剂底其它的改善手段，这尤其在早期焦烧时间很短的混练胶特别重要，因为可以避免门尼值不对需再处理时，混练胶在处理过程中焦烧，造成胶料无法处理的困扰。应力松弛测试（MLR, Mooney Stress Relaxation）：应力松弛测试目的在于更明确的分析胶料的加工特性，可解析胶料的粘弹性，更清楚的表达出加工的特性，所以胶料具有相同的门尼值，其应力松弛的测试结果不同是不奇怪的，应力松弛测试主要用于分析得到几个胶料特性：. 分子质量分布（MWD, Molecular Weight Distribution）. 聚合度（Chain branching）：含自由基的程度，也就是指分子的聚合度。. 分子量（Gel content）：通常松弛速率较快的，从转子停止到门尼值降至设定位置的时间较短，MWD分布值较大，反之松弛速率较慢的，从转子停到止门尼值降至设定位置的时间较长，MWD分布值较小分子质量分布值较大的，表示其弹性较大，但是相对的剪切应力也会较大。助剂、填充剂混入也会因分子质量分布不同而使得混入难易度不同因而造成混练均匀程度的不同，混练时间也会不同。四. 测试结果：1. 门尼测试：a. ML1+4：最后30秒最低门尼值，也就是所谓的门尼值，通常会有： ML1+4：L表大转子，1+4表预热1分钟，测试4分钟。 ML1+8：L表大转子，1+8表预热1分钟，测试8分钟。 MS1+4：S表小转子，1+4表预热1分钟，测试4分钟。 MS1+8：S表小转子，1+8表预热1分钟，测试8分钟。 当然也有可能是其它使用者自行定的时间的测试结果，虽然不是标准的测试方法，但可能是为了某种特殊需求所设定的测试条件，此结果也是被许可的，须知实验的目的就是要澄清不明的部份。b. MS（或MI）：初始的门尼值，马达开始转动时的最大门尼值，表示胶料投入后初始的 最高门尼值。c. MF：马达停止转动时的门尼值，早期是以这个值为门尼值，现在标准（规范）门尼值修正为最后30秒最低门尼值，此值只是和旧标准的数据做比对用。门尼值MSML(S)1+4(8)90MF时间测试时间预热【注】：标准对于各种不同的胶都有标准的测试时间及温度，测试时请参照所依照的标准规定来决定。2. 焦烧测试：a. MS：初始的门尼值，马达开始转动时的最大门尼值，表示胶料投入后初始的最高门尼值。b. MF：马达停止转动时的门尼值c. T3 或T5：第一个早期硫化时间点，大转子通常为T5，小转子通常为T3，其定义为最低门尼值加5个单位（或3个单位）（ML+5 .or. ML+3）值时所对应的时间。d. T18 或T35：第二个早期硫化时间点，大转子通常为T35，小转子通常为T18，其定义为最低门尼值加35个单位（或18个单位）（ML+35 .or. ML+18）值时所对应的时间。e. T：硫化指数，为第二硫化时间减去第一硫化时间，其值愈小表硫化愈快。T=T35-T5 .or. T18-t3。f. SR：硫化速率在某时间点的硫化曲线斜率值，斜率愈大表硫化速率愈快，此值和T义意相同，只是以不同物理量的表示方式，但是SR可以清楚的得知每一个时间点的速率，而T只是一段反应过程的总时间。g. ML：最低门尼值，此值表胶料流动性最好时的门尼值，其值和门尼测试结果所得到的门尼值是成正比的，因此由此值预测门尼值是可行的。ML 5 30 预热T5(3)T35(18)MFMS时间门尼值3. 应力松弛测试：a. k：转子停止转动后斜率曲线延伸至第1秒时的门尼值。b. a：应力松弛曲线斜率值c. A：应力松弛面积（应力松弛时间的累积转矩）。d. r：一元线性回归分析相关系数五. 测试时需注意事项：1. 由于未硫化橡胶容易沾黏，需随时注意转子及模具保持干净，当转子或模腔表面有污染时，需注意不可用太硬的金属去刮模腔及转子表面，以免受损，可用铜刷、离型胶或置入可硫化的混练胶，然后将胶料加温硫化将污染物粘掉。2. 切勿为清模容易，而使用喷式离型剂（如硅油等），以免影响温度的稳定，如果一定要使用，使用后需等温度稳定后再测试。3. 测试时需注意温度是否稳定。4. 由于有二支转子（大、小转子），及转子可取出，所以当更换转子或转子置放于机器外部时间较长时，于测试前需置入模内预热，以免影响测试结果。5. 当转子花纹模糊时需予更换，以免影响测试结果。6. 由