第六章流变测量学

.,第六章流变测量学,6.1弹性模量的测定应力和力矩的测量,通过校正过的弹簧长度的变化,转变为测量位移.应变的测量,传感器:把位移转变为电信号.光杠杆:镜上光点变化,角度变化,.,杨氏模量,杨氏模量,.,剪切模量,h,R为试样的高度和半径L为扭矩,为扭转角,.,6.2聚合物熔体的粘度测量,落球粘度计结构和方法:,.,计算公式:重力浮力Stokes粘性阻力,.,一个半径为R，密度为s的小球，在密度为b的液体中以恒定速率下落，可用斯托克斯方程求出液体介质的粘度，记作斯托克斯粘度s:,该法只能测定低切变速率下的粘度，故可视为零切粘度,可用来测量粘流活化能；不能用落球粘度计来研究聚合物粘度的切变速率依赖性,.,二毛细管粘度计,优点：结构简单、可以在较宽的范围调节切变速率和温度，得到十分接近于加工条件的流变学物理量常用的切变速率范围：10106s-1切应力范围：104106N/m2,.,1，毛细管流变仪的测量原理和方法,毛细管流变仪示意图,毛细管及压力传感器的安排,.,毛细管中三个流动区域,物料在完全发展区的流动,.,（1）切应力表达式在无限长的管中取一长度为L,二端压差为P的液柱，在半径为r的圆柱面上，在稳流时，阻碍流动的粘流阻力应等于两端压差所产生的促使液柱流动的推动力平衡，即：,则：,dp活塞杆的直径，最大切应力,.,（2）表观切变速率和粘度,首先求出表观切变速率与压差的关系：,接着计算线速度v的分布和体积流率Q:,管中层流的Hagen-Poiseuille方程：,.,从前面的式子可得管壁表观切变速率与体积流量Q的关系：,所以有：,又因为：,.,（3）非牛顿流体的修正,式中n非牛顿指数,所以有：,非牛顿流体的表观粘度由下式计算：,.,Bagley修正对压力梯度的校正,校正的原因：实际测量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，并非全部作用在完全发展区,校正原理：保持压力梯度不变，将毛细管（完全发展流动区）虚拟延长，并将入口区的压力降，等价为在虚拟延长长度上的压力降。,.,校正方法：虚拟延长毛细管长度(nB*R),nB称为Bagley修正因子,确定修正因子的示意图,.,三旋转粘度计,旋转粘度计有三种形式：同轴圆筒式、锥板式及平行板式切变速率范围：10-3102s-1,在同轴圆筒式粘度计中，流体装在两个同轴圆筒之间的缝隙中，其中一个以恒定速率相对于另一个运动，测定转距值和角频率，即可求得切应力和切变速率：,r圆柱状液层离轴线的距离；L内筒进入被测液体中的深度；A仪器常数,.,.,6.3转矩流变仪,常见的有Brabender公司(德国),Haake公司(美国)和ToYosiki(日本)。一结构1转矩传感器，提供电子式流变转矩；2可更换的（积木式）混合测量装置(压力传感器,热电偶)，一般根据用户需要配备密闭式混合器（分塑料用和橡胶用多种），螺杆挤出器（有单螺杆和双螺杆）和各种类型的挤出口模；3电控仪表系统，用于控制温度和无级调速、记录转矩、温度随时间的变化。,.,.,二用途1模拟实际生产条件,适宜于配方和工艺条件的优选;采用挤出机和各种口模配合,通过测量扭矩,温度及观察挤出物外观,可直观地了解螺杆转速,各区段温度分布对物料挤出性能的影响.转矩随时间的变化曲线（Mt）温度随时间的变化曲线（Tt）转矩随温度的变化曲线（MT）,.,聚氯乙烯的典型塑化曲线,.,1加料峰(投料后2-3转可以达到)2塑化峰(由于温度,剪切作用,干混料体积变小,转子的负荷减小,因而扭矩下降;物料开始熔化,扭矩重新上升)3最大扭矩Mp4平衡扭矩Mb(塑化均匀后,润滑剂发挥作用,扭矩下降,达到平衡扭矩)5塑化时间tp,.,2测量熔体表观粘度Q为熔体体积流量;L,R为毛细管长径为进出口压力差,.,三转矩绝对值及其波动的意义,1）转矩绝对值直接反映物料的熔融情况及其表观粘度的大小;间接反映出物料混合均匀程度随时间的变化。当物料在混合过程中内部结构发生某种化学或物理变化时，转矩往往发生显著的改变。通常胶料混炼时，转矩随物料的不断均化逐渐趋于一个平衡值。,.,聚乙烯的动态交联行为DCP(过氧化二异丙苯),例过氧化物交联PE,.,橡胶混炼时转矩随时间变化示意图,2)利用转矩变化的波动幅度来衡量胶料混炼时的加工工艺性能：,.,a一般当物料很不均匀或物料在工作表面打滑,或物料发生不稳定的高弹湍流,就较高b当物料与转子发生粘连,以致相当一部分物料不发生剪切形变,物料跟着转子转动,则很低c值过大或过小均不利于混炼,物料实现最佳混炼时,值恒定,=0.050.07,.,6-4高聚物粘弹性的测量方法,一蠕变仪高聚物的蠕变试验可在拉伸，压缩，剪切，弯曲下进行。,.,（）拉伸蠕变试验机（塑料）原理：对试样施加恒定的外力（加力可以是夹具固定，自试样下面直接挂荷重），测定应变随时间的变化,夹具,试样,荷重,.,注：对于硬塑料，长度变化较小，通常在试样表面贴应变片（类似电子秤的装置，可以将力学信号转变为电阻值，而得出应变值），测定拉伸过程中电阻值的变化而得出应变值。,.,（）剪切蠕变（交联橡胶）材料受的剪切应力在这种恒切应力下测定应变随时间的变化。,.,二应力松弛拉伸应力松弛（橡胶和低模量高聚物的应力松弛实验）,.,三动态粘弹性自由振动法0.110Hz共振法5050000Hz强迫振动非共振法0.001100Hz,.,1动态扭摆仪装置与原理：由于试样内部高分子的内摩擦作用，使得惯性体的振动受到阻尼后逐渐衰减，振幅随时间增加而减小。,.,振动曲线(体系的弹性能逐渐转变为热),.,公式推导运动方程转动角转动惯量复数切变模量K与试样形状及尺寸有关的常数第一项是惯性力,第二项是扭转试样所需要的力第三项是随时间变化的外力,.,对于自由振动,F(t)=0,衰减因子,角频率,.,力学损耗通常用对数减量(又称力学阻尼),它定义为两个相继振动的振幅比值的自然对数,即,.,2共振法(振簧)装置一个可以改变频率的电磁振动器,片状或纤维状试样,一端固定,另一端自由引起试样共振的频率为共振频率,.,曲线振幅为极大值的时的频率f1和f2之差,称为半宽频率,.,公式,L和d为试样的长度和宽度为试样的密度为常数,长条试样38.24,截面为圆形51