流变仪简介(中文).doc

哈尔滨哈普电气技术有限责任公司Harbin Hapro electric technology Co.Ltd流 变 仪 简 介概述橡塑材料在加工成型的过程中，几乎都要涉及其流动性。例如，在挤出、注模、吹膜、压延等工艺中，材料的流动行为都是十分重要的。材料的流动性不但影响加工行为，还会影响最终产品的力学性能。例如，分子取向对模塑产品，薄膜和纤维的力学性能都有很大影响。而分子取向的类型和程度主要是由加工过程中流动场的特点和材料的流动行为所决定。转矩流变仪是研究材料的流动、塑化、热、剪切稳定性的理想设备，可广泛地应用于科研和生产，是进行科学研究以及指导生产的重要仪器。与研究材料流动性的一般性仪器粘度计相比，该流变仪提供了更接近于实际加工的动态测量方法，可以在类似实际加工的情况下，连续、准确可靠地对材料的流变性能进行测定，如多组份物料的混合、热固性树脂的交联固化、弹性体的硫化，材料的动态稳定性以及螺杆转速对体系加工性能的影响等。但是传统的转矩流变仪有系统柔性差，试验耗时多，数据处理工作量大等诸多缺点。近年来计算机测控技术产生了巨大的进步，特别是Windows操作系统给PC机信息处理能力带来的革命性变化，将这些新技术融入转矩流变仪测试技术可形成柔性强，信息管理和处理能力强大，使用极其方便并能获得更多信息的新型测试系统，为此我们研制了基于计算机测控技术的RM-200系列转矩流变仪，以满足行业需求。1转矩流变仪应用与发展概况1.1转矩流变仪的应用转矩流变仪可以用来研究热塑性材料的热稳定性、剪切稳定性、流动和塑化行为，其最大特点是能在类似实际加工过程中连续准确可靠地对体系的流变性能进行测定，还可以完成热固性材料的固化特性测试。1.2转矩流变仪的最新进展转矩流变仪历经了机械测量式、电子测量式和基于计算机测控的综合性测试仪三个发展阶段。特别是基于计算机测控的综合性测试系统出现以来，由于计算机具有强大的数据处理能力，使得一些涉及大量数学运算和复杂数据处理的测试方法得以实现，从而使转矩流变仪的应用水平提升了一个新的高度。在聚合物研究及生产发达国家，转矩流变仪是科研、生产和教学机构的必备设备，应用极为广泛，甚至仅一个部门就配备若干台，我国是塑料生产和加工大国，但技术水平还相对落后，随着产品技术水平和质量的不断提高，对转矩流变仪的需求也不断加强。为了满足国内市场的现实和潜在需求我们研制了具有计算机测控及数据处理能力的RM-200系列转矩流变仪。目前已经在下面几个领域得到广泛应用。1）UPVC加工及添加剂生产：UPVC配方体系复杂，加工工艺控制困难，以熔融峰转矩、塑化时间，平衡转矩为代表的转矩流变参数能有效地评估UPVC的加工特性及添加剂的影响，由于转矩流变仪的转矩测量精度提高，可以对诸如外润滑剂少量（0.05份/100份）添加的影响进行有效地评价，从而精确地指导挤出工艺的范围。建材工业的发展使UPVC广泛地用于型材、管材、板材等，这一领域是转矩流变仪典型应用领域。RM-200转矩流变仪是国内制造的唯一能精确地评定和重现UPVC转矩曲线的仪器。2）聚烯烃类材料的加工工艺研究：转矩流变仪是聚烯烃类材料配方开发和工艺研究的最方便工具。混合器可以用于材料的混炼，并且可以用平衡转矩初步地评定熔体粘度。在加工工艺评定的精度范围内，利用挤出毛细管完全可以代替高压毛细管流变仪，测量聚合物熔体粘度谱，即粘度-剪切速率()曲线。过去在进行材料配方开发时，着重评定配方的机械物理性能和特殊应用性能，而加工工艺性能评定手段往往不完善。常用的手段是熔体流动指数仪，常用的办法是现场工艺试验。而熔体流动指数仪评定的仅仅是一个剪切速率下的粘度，不能全面表征聚合物熔体的流动性，现场工艺试验要耗费大量的人力和财力。用曲线可以十分全面地评价工艺性能，从而节省大量的现场试验所消耗的时间、人力、材料和设备的功耗、时耗。挤出毛细管流变仪比高压毛细管流变仪更适用于材料的加工工艺研究，特别是与挤出相关的工艺。RM-200型转矩流变仪是国内制造的唯一能具备挤出毛细管流变仪测量功能的仪器。价格合理，十分有利于推广使用。3）交联、热固性树脂固化的动力学过程试验：由于计算机的参与，曲线叠加等功能的实现使参数评定更方便，典型应用有橡胶硫化过程评定、交联聚乙烯交联过程评定和环氧树脂固化过程评定。4）教学科研应用：由于RM-200转矩流变仪价格合理，功能丰富，国内从事高分子材料教学的院校可以将其作为基本教学仪器。我公司还专门为各大专院校实验教学专门设计了几种关于高分子材料的试验用的教材，并已经在一些大专院校采用，效果很好。1.3 RM-200A(C)系列转矩流变仪哈尔滨哈普电气技术有限责任公司是由哈尔滨理工大学博士生导师、教授赵洪创建的，是哈尔滨理工大学科技企业创新中心首批进驻企业。哈尔滨理工大学在电气及机械业界具有相当高的知名度。我公司于1996年在国内率先研制成功了基于计算机测控的转矩流变仪，并成功解决了产业化问题。自1997年推向市场，受到了齐鲁石化研究院，北京理工大学、山东日科化学材料有限公司、中国蓝星（集团）总公司等各界用户的欢迎和肯定。我公司生产的转矩流变仪截至目前为止已经有近300台在广大的用户中使用，而且有的用户多台使用（如：山东日科化学材料有限公司共购买了8台）。我公司在2007年共销售了30余台转矩流变仪，其中很多大型企业（如石化公司）和知名高校（如：清华大学和复旦大学等等）使用，客户非常满意。RM-200系列转矩流变仪具有如下特点：1）功能强：RM-200系列转矩流变仪，除了基本的挤出机、混炼器外，还配有测径单元、带状试样压光及牵引单元、膜质量测试单元、拉伸流变性测量单元等。利用这些单元可完成更多的测试工作。这些功能在国内处于领先地位。2）先进的电气控制RM-200系列转矩流变仪采用国际上先进的总线控制，可靠性高，维护方便。电气控制器件以及控制仪表采用了世界上知名企业的产品。3）测控精度高：RM-200系列转矩流变仪采用独特的结构及转矩测量方法，不但使系统运行平稳，免于维护，更使转矩测量精度达到0.1%F.S.，达到国际先进水平。温度控制采用专业的温控仪表进行测控，控制精度高，反应灵敏。4）软件丰富：由于RM-200系列转矩流变仪是以计算机为核心的自动化测试仪器。数据采集、控制以及实验数据的处理均由相应软件完成，这不仅表现为仪器操作方便、控制精确、实验数据处理及结果输出快捷高效，更重要的是，在软件的支持下，完成传统转矩流变仪不能完成的功能，例如，线性升速测量材料的剪切敏感特性，粘度谱测量过程中的压力入口校正和非牛顿流体校正等。5）可靠性高RM-200系列转矩流变仪不但在电气高可靠的总线式控制和高可靠的测控仪表，而且在机械制造上也采用了精良的制造设备。采用多种方式的电气绝缘同时使用。采用了可以达到500工作温度的轴承。采用了防腐蚀、耐高温的不锈钢材质。6）性能价格比高：RM-200系列转矩流变仪的设计思想是尽量不增加硬件设备的基础上，通过软件开发，实现功能扩展和性能提高，因此具有很高的性能价格比。7）扩展能力强：RM-200系列转矩流变仪，由集电气及自动化、机械、材料、计算机各专业专家组成的团队开发成功。开发集体能够跟踪国际前沿技术，并在产品中具体实现，使得产品保持极强的扩展能力。2系统组成与性能指标2.1系统组成RM-200系列转矩流变仪由测控主机、计算机及打印机、混炼器单元、挤塑机单元、挤橡机单元等，以及支持软件组成。测控主机与功能单元组合，构成不同的测量系统。图1是测控主机与混炼器的组合。图1测控主机与混炼器的组合图2.2性能指标(RM-200A)电机功率 3.0 kw转速范围 5145 rpm速度控制精度 0.3%F.S.转矩测量范围 0 200Nm转矩测量精度 0.1%F.S.熔体压力测量范围 0.1100Mpa压力测量精度 0.5 %F.S.温度控制范围（四路可控） 室温300温度控制精度 +1.02.3测控系统组成原理1）系统硬件由PC机管理两个测控子系统，子系统1完成主要测控功能，如温度测控，压力测量，转矩测量，转速测控，子系统2进行辅助功能的测量，可以选择为自动实时称重（测剪切速率）、测径（测口模膨胀）和薄膜质量测量（透明度、杂质颗粒缺陷）。 图2原理框图由两个子系统分别进行测量和控制，增加系统的灵活性和降低故障的危害，由PC机进行集中管理，构成虚拟仪器，任何操作都在计算机人机界面上进行，测试数据形成数据文件可永久保存，提高了系统的管理水平、使用柔性和信息处理能力。子系统1原理框图如图2所示，它是由4个模块组成的，集成度高，维护容易。2）系统软件支持软件集由测试系统有测控软件WinRheo，混炼器试验数据处理软件WinMixer，粘度谱测量数据处理软件WinVisco和工具软件WrData组成。WinRheo软件可通过PC机的两个串行口分别对子系统1和2实现数据采集和参数控制以及人机信息交互。图3是WinRheo的人机界面。这个界面功能丰富，可以完成5路温度测量，其中4路可进行设定和控制，转速设定、测量和控制，扭矩、压力测量，配合自动称重系统进行挤出量测量，配合测径仪进行口模膨胀测量。曲线窗口可以实时显示以上各数据对时间的曲线。这些数据可以由专用的WinMixer、WinVisco进行数据处理，也可以由通用软件Origin进行数据处理、作图。 图3 控制软件界面2.4混炼器及其应用RM-200系列转矩流变仪的混炼器由图4所示，腔体采用三片式结构，电加热，配有塑料和橡胶混炼转子，两转子转速比为3：2，应用该混炼器可以进行多组分热塑性材料（例如PVC）热融合测试，热固性材料固化（例如交联聚乙烯交联特性）性能测试，热稳定性测试，剪切敏感性测试，物料混炼等多种实验。 现已研制成功有效容积为20ml、50ml和300ml三种规格的产品，转子的类型有塑料型转子和橡胶型转子。如图4所示。 图4 不同容积的混炼器和转子 试验结果在WinMixer软件下形成实验报告，并由彩色打印机输出。WinMixer还可以完成多个曲线叠加，曲线的光滑处理、局部放大等功能。图5a、b、c、d、e分别是PVC融合、PVC热稳定、数据叠加、差异显著性评定和XLPE交联等实验报告。2.5挤出式聚合物熔体粘度谱测试塑料挤出机机筒和螺杆由38CrMoAlA材料制成。螺杆长径比为25：1，可选不同压缩比粒料和粉料螺杆，配合毛细管挤出模具、圆柱形挤出模具、挤管模具、电线包覆模具进行不同工艺的模拟试验。利用毛细管挤出模具可以完成材料的粘度与剪切速率及剪切应力的关系测量。其一般原理是，聚合物的粘度表示为： =/ 其中，剪切应力kg/cm2，剪切速率1/s。和可以分别由毛细管两端的压力降和熔体挤出量获得。改变挤出机螺杆的转速，例如从5至100rpm之间改变若干次，在此过程中分别测量毛细管两端压力降及挤出量。实验数据保存到文件后，将其在软件WinVisco中打开，就可以自动输出双对数坐标的-，-曲线。图6是由RM200转矩流变仪测量的某牌号低密度聚乙烯的-，-曲线。 图6某牌号LDPE的-，-曲线2.6物理缺陷检测交联聚乙烯制造高压电缆绝缘时，不同的电压等级，绝缘料中杂质的大小及含量有明确的行业标准规定，因此材料中的杂质检测是电缆料及电缆生产中的重要环节。利用转矩流变仪的单螺杆挤出机配合平模模具将被测物料制成薄片，再令其通过杂质测量仪，就可以快速准确地完成杂质测量。这也是目前杂质测量唯一有效的方法。杂质测量仪和转矩流变仪的联合测量系统如图7所示。 图7杂质测量仪和转矩流变仪的联合测量系统2.7拉伸流变测试在吹膜、流延、纺丝等加工过程中，聚合物的熔体强度和临界拉伸强度是重要的参数，利用转矩流变仪和拉伸流变测试单元可以获得这些参数。测量原理及装置如图8所示: 图8 拉伸流变测量原理图聚合物熔体由毛细管模具以恒定的速度挤出，模具的直径为2mm，长径比可以是30:1、10:1和1:1，挤出过程中通过熔体压力反馈调节挤出机螺杆转速，使得挤出量偏差在半小时以内不超过1%。挤出的物料经过两个缓慢加速旋转的导轮，使其受到拉伸，在拉伸过程中附加在导论上的测力装置可以测量熔体所受拉力与拉伸线速度之间的关系曲线，该曲线称为拉伸流变曲线。图9 拉伸流变曲线图9给出了某牌号LDPE的拉伸流变曲线，图中熔体断裂式的拉力称为熔体强度，对应的拉伸速度为熔体拉伸能力。在图中还可以看到，当拉力超过一定限度时，熔体虽未断裂，但拉力表现出强烈的振荡，这表明熔体已进入拉伸反应区，在实际加工过程中应避免进入这一区域。通过拉伸流变曲线可以获得丰富的熔体拉伸流动中的信息，近年来越来越受到人们的关注。2.8聚合物挤出加工性能实验挤出机的类型有单螺杆塑料挤出机、平行双螺杆塑料挤出机、锥形双螺杆塑料挤出机和单螺杆橡胶挤出机。单螺杆塑料挤出机和模具如图10所示。利用不同类型的挤出机配合相应的模具对实际加工过程进行模拟，从而可以评价材料的加工性能，并获得实际的加工工艺参数及材料的加工范围是各种小型挤出机的基本应用。根据实验数据，利用数据处理软件可完成挤出加工实验报告，如图11所示。图10单螺杆塑料挤出机和模具 2.9产业化和