流变仪在高分子材料研究中的应用.doc

2802006年中国工程塑料加工应用技术研讨会论文集流变仪在高分子材料研究中的应用张怀志张瑞刘柏婷 赵觅(大庆石化公司研究院。大庆163714)(大庆石油学院化学化工学院，大庆163318)摘要从流变仪的构成、试验原理和功能出发，着重介绍了转矩流变仪在高分子材料产品研究开发中的应用。 关键词高分子材料转矩流变仪流变性能流变仪分毛细管流变仪、旋转流变仪和转矩流 电缆包覆装置和造粒机等；附件部分包括转子、螺 变仪等几种。因试验原理不同，应用亦有区别。这 杆、模头、漏斗、加料器、传感器和电子天平等。根据 里着重介绍转矩流变仪在高分子材料研究中的应 不同的试验要求，将主机、辅机和附件有机地组合起 用。 来，便可完成。转矩流变仪主要应用于橡塑高分子材料，是一 2转矩流变仪的应用口】 种多功能流变学测试系统，可以用来精选配方、质量 21混合器试验 控制、流变学试验和加工性能试验 。其试验原理 混合器相当于一个小型密炼机，是转矩流变仪 是测试材料在高温剪切下转矩的变化。转矩与熔体 的一个重要辅机。由一个“”字形混合室和一对 的粘度相关，样品混合时所受阻力与样品熔体粘度相向旋转的转子组成。转子分四种类型，即轧辊转 成正比，通过作用在转子或螺杆上的反作用扭矩测 子、凸轮转子、班布里转子和西格玛转子。根据试验 得这种阻力。 材料对剪切的要求，选择不同的转子。流变性是高分子材料在温度和应力作用下流动在高分子材料的研究过程中，混合试验是必不 产生的粘性和弹性形变行为，它与各种因素的关系可少的。混合样品的同时，测试扭矩、温度、总扭矩 是高分子材料成型加工中最基本的工艺参数，对原 及随时间变化的关系。在不同的试验条件下测定流 料的使用、添加剂的选择、加工工艺参数的确定、成 变特性、测试颜料的分散效果及添加剂对粘度的影 型设备和模具的设计有着重要的指导作用2】。响。试验得到的曲线表征特定的物料混合转矩和温 高分子材料的合成与生产已是成熟的技术，现度随时间的变化关系，描述了样品的加工性能和过已开发出多种牌号，但由于市场的实际需求，需要进程状态。典型的曲线见图l。 一步研究开发功能化、专用化的产品。在研究新配 方、开发新产品、优化加工工艺的过程中都需要对原 材料及加入添加剂的配方料进行混合试验、流变试 验和加工试验，这些试验均离不开转矩流变仪。转 矩流变仪技术先进、设计合理、功能强大，具有快速 便捷、准确可靠的优点，实验数据涵盖内容丰富。因 此研究人员和使用人员有必要对它的构成、原理和功能充分的认识和掌握。1转矩流变仪的构成转矩流变仪是国际上通用的流变学测试仪器， 从构成上分为三部分，即主机控制系统，测量驱动系 统和辅机附件部分。主机控制系统用于设备的校正、试验参数的设置、数据的采集、显示和处理，发出 对辅机的参数控制信号；测量驱动系统用于测量温 度、压力、转速和转矩信号，随时把信息传给主机，并为辅机提供电源和马达驱动；辅机部分包括混合器、 单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、吹膜机、压延挤带机、张怀志。等：流变仅在高分子材料研究中的应用28l了交联，粘度增大，温度也随之有所上升；而c点到管材料的成型情况。 E点说明物料发生了降解，大分子链断裂，粘度降(4)吹膜模头用于小量窄幅吹膜，可作光学 低。曲线的本身也直接反映了试验样品的加工性 性能、鱼眼检测试验样品。 能。混合试验除了常用于PE、PP试验外，也常用于 (5)滤网试验圆孔模具在挤出机头装上圆孔 PVC的研究，直接测试PVC的熔融时间和热稳定时模具，可测试聚合物中碳黑、填料及颜料的分散和颗 间，从而来确定稳定剂的种类和用量。 粒污染情况。试验过程中，较大的颗粒或颜料团块22挤出加工试验 缓慢堵塞过滤装置，从而引起熔体压力随时间上升。转矩流变仪配备了单螺杆和双螺杆挤出机。在 压力上升，是颗粒或颜料对熔体的污染造成的。 挤出机中，物料得到熔融、混合、压缩、均化、最后挤 (6)电缆包覆模具电缆包覆模具配上牵引装 入模头。第一可以用挤出机模拟实际工艺试验，配 置，可以对金属导线进行低速挂线包覆试验，初步检 方制样，质量控制；第二可以进行小规模生产。配上验电缆料的挂线包覆性能。 不同的模头，可以加工不同的产品，如配方造粒、压(7)异型材模具一般用Garvey模具，对高分 延片材、吹膜、挤管、异型材挤出、电缆包覆及毛细管 子材料的挤出特性从外观、截面的一致性及口模胀 流变试验等。挤出机同时带有多个参数的测量，在 大上进行客观评价。 模拟实际加工时，可同步测量温度、熔体压力、转速 24毛细管流变试验和转矩。这样根据需要，可随时改变挤出加工条件，在转矩流变仪配备的螺杆挤出机上，装配上流 以满足试验的设计要求，找到最佳的工艺参数。单、变试验模头和毛细管，接上相应的压力传感器和电 双螺杆的选用有一定的区别，对剪切敏感的高分子子天平，便可进行毛细管流变试验。毛细管流变试 材料，选用单螺杆挤出机，用来混合挤出，测量熔融、验用来测试树脂材料熔体粘度随温度和剪切速率的 流变特性。对于温度敏感而对剪切不敏感的材料， 变化关系。合成树脂材料自身的分子量和分子量分 选用双螺杆挤出机，挤出过程可以完成颜料和添加 布不同，对其流动情况影响很大。一般来说，原材料 剂与聚合物的混合，还可挤出在螺筒中进行聚合的制成专用料，要加入着色剂、润滑剂、稳定剂或抗冲 物料，双螺杆挤出机设有排气装置。质量控制挤出击改善剂等。这些添加剂都将影响树脂材料的流变 试验曲线如图2所示。行为，因此，通过测试样品的流变性能，可以最终优化产品的配方。 流变学试验有两种毛细管供选择，狭缝毛细管和圆孔毛细管。狭缝毛细管适用于低剪切材料，剪 切速率范围在10103s，圆孔毛细管适用于中高 剪切材料，适用剪切速率范围102104s。试验通时同min 常测试树脂材料的表观流变学数据，然后再进行校 图2高分子材料挤出加工试验曲线 正，得到真实数据，见图3和图4。在流变试验中， 图2曲线展示了四种不同批次同一种牌号的高通过测量模头熔体压力，来算出表观剪切应力，测试 分子材料，扭矩的变化说明材料的分子量和分子量模头挤出的物料流量，获得表观剪切速率。然后，经分布发生了一定的变化，加工性能也随之有所不同。过Bagley校正和Rabinowitsch校正，得到毛细管流23模头和附件的应用 转矩流变仪配备了十几种模头和附件，是试验f，山罡不可或缺的组成部分。 灾氇毯(1)圆孔模头用来挤出造粒，检测口模膨胀，恩舞京拉丝测熔体强度等。(2)狭缝模头用于带状挤出，经压延牵引成 型片材，用作其它试验的样品，如力学性能、光学性剪切速率一1 能、电性能和颜料分散情况检测等。图3表观流变学试验曲线C下转第294页J(3)挤管模头用于细管挤出成型，观察分析294 2006年中国工程塑料加工应用技术研讨会论文集或引进，以降低生产成本，提高产品质量，满足国内 务。另外还应尽快实现1己烯、1辛烯等a一烯烃的 日益增长的需求。工业化生产，为生产双峰聚乙烯提供更加广泛的共(3)从世界聚乙烯工业的发展趋势来看，具有 聚单体原料，以提升我国聚乙烯专用产品的档次。 优异力学性能和加工性能的第二代双峰聚乙烯产品参考文献将向第一代聚乙烯产品提出挑战，国外各大石化公1高锋金山油化纤，200l，20(2)：33司已在此方面有了较大发展，而国内仅是对此技术 2陆玲芳金山油化纤，2004，23(3)：34 进行了初步的探索。开发新型金属催化剂和催化剂 3宋玉春石化技术与应用，2002，20(1)：43 载体以及催化剂配体，是今后双峰聚乙烯研究开发4付吉江石化技术与应用，2000，18(2)：112的重点，因此我国应该加快对新型双峰聚乙烯生产 5李春山现代塑料加工应用，2002，14(6)：576 Union Carbide ChemEP 0369436A2技术及产品的研究和开发，已适应今后发展的需要。7美国埃克森美孚化学公司CN 1478108(4)双峰聚乙烯具有较高的附加值，我国一些8浙江大学CN 1470538单位对此进行了较为系统的研究并取得了一些成 9金栋，等上海化工，2005，30(1I)：29果，应尽快将其工业化，为生产提供技术支持和服 lO刘妍，等化工科技，2003，11(3)：53PRoDUCTIONIECHNOLOG添AND MARKET PROSPECT OF B江ODAL POLYETH，ENEU Yufang(Beijing Jiangning Chemical Research Institute，Beijing 100076，China)ABSTRACT The characteristics and application of bimodal polyethylene al-e introducedThe development progress of produc- tion process and catalysts and the production situation at home and abroad are reviewedSuggestions for the development of bimodal are put forwardKEYWORD polyethylene，bimodal polyethylene，production process catalyst，、一一、，、，、，广、一一、，、，h、，一、一一、广、一一、广、，、，、v、厂、|，、一一，_、一一，、，一，hV、，一，一、-广、07、，、，、，(上接第281页)和认可。在高分子材料配方研究、加工性能和流变、制、优化加工工艺、开发新产品的重要手段。由于转特性试验中发挥了重要作用，已成为原材料质量控矗，山山R越矩流变仪功能强大，测试数据涵盖内容丰富，在高分翻尽舞氰子领域得到了越来越广泛的应用。参考文献1 Klaus Mozer，Gebhard Schramm使用先进的计算机转矩流变仪对剪切速率81图4校正后的流变学试验曲线聚合物进行流变学测试2周持兴聚合物流变实验与应用。上海上海交通大学出版社变学的真实数据。20033结语3张洁HAAKE转矩流变仪及其应用塑料科技，2003(5)：41转矩流变仪作为流变学测试仪器已被广泛接受4黄尚元塑料测试和分析上海塑料研究所。1996-APPUCATION 0F PHEOMETER oN MACROMOLECULAR MATERIAL RESEARCHZhang Huaizhi，Zhmlg Rui，Liu BatingZhao Mi(Rematch Institute 0f Daqing Petrochemical company 163714，China) (Daqing Petrol