第六章流变仪

1、第六章 流变测量学流变测量学的任务流变测量学的任务常用的流变测量仪器常用的流变测量仪器毛细管型流变仪毛细管型流变仪转子型流变仪转子型流变仪混炼型转矩流变仪混炼型转矩流变仪振荡型流变仪振荡型流变仪加工条件（压力、加工条件（压力、扭矩、转速、频率、扭矩、转速、频率、流量、温度等）流量、温度等）流变性质（应力、流变性质（应力、应变、应变速率、应变、应变速率、粘度、模量等）粘度、模量等）2. 毛细管流变仪的测量原理和方法2.1 2.1 毛细管流变仪的基本构造毛细管流变仪的基本构造优点：优点：操作简单，测量准确操作简单，测量准确测量范围广阔（测量范围广阔（ ）测量物料的剪切粘度测量物料的剪切粘度物料的流

2、动与挤出、注塑中物料流动形式相仿，具物料的流动与挤出、注塑中物料流动形式相仿，具有实用价值有实用价值2411010 s毛细管流变仪的基本构造毛细管流变仪的基本构造毛细管流变仪的基本构造毛细管流变仪的基本构造根据测量原理的不同，毛细管流变仪可分为：根据测量原理的不同，毛细管流变仪可分为：恒速型恒速型 柱塞下压速度恒定，待测定的量为毛细管柱塞下压速度恒定，待测定的量为毛细管两端的压差两端的压差恒压型恒压型 柱塞前进压力恒定，待测定的量为物料的挤柱塞前进压力恒定，待测定的量为物料的挤出速度（流量）出速度（流量）熔融指数熔融指数仪仪熔融指数仪结构原理图熔融指数仪结构原理图熔融指数高的物料熔融指数高的物

3、料适合什么工艺？适合什么工艺？注塑成型注塑成型熔融指数低的物料熔融指数低的物料适合什么工艺？适合什么工艺？挤出成型挤出成型入口区有明显的流线收敛行为，使得流入毛细管一段距离入口区有明显的流线收敛行为，使得流入毛细管一段距离后，才能发展成层流。后，才能发展成层流。出口附近，约束突然小时，挤出胀大，流线发生变化。出口附近，约束突然小时，挤出胀大，流线发生变化。本节重点讨论恒速型毛细管流变仪本节重点讨论恒速型毛细管流变仪2.2 2.2 完全发展区内的流场分析完全发展区内的流场分析 黏度需在此区域内测量黏度需在此区域内测量剪切黏度剪切黏度= =剪切应力剪切应力/ /剪切速率剪切速率假定条件假定条件完全

4、发展流动完全发展流动- -稳态条件稳态条件恒温，层流恒温，层流材料粘附在管壁，没有滑移材料粘附在管壁，没有滑移管壁处流速为管壁处流速为0 0管壁处剪切速率最大管壁处剪切速率最大- -这也是我们在所有测试中提到的这也是我们在所有测试中提到的剪切速率剪切速率速度只是径向分布速度只是径向分布样品不可压缩样品不可压缩2.2.1 2.2.1 运动方程及剪切应力的计算运动方程及剪切应力的计算设毛细管半径为设毛细管半径为R R，完全发展区长度为，完全发展区长度为L L将式（将式（6-46-4）积分得到毛细管内的剪切应力分布为：）积分得到毛细管内的剪切应力分布为：2rzp rz00rzr2rzr Rp Rz任

5、意点任意点r处的剪切处的剪切应力：应力：2wrPL牛顿流体2.2.2 2.2.2 剪切速率的计算剪切速率的计算LPrdrdv2)(1 4)(22RrLPRrvLPRrdrrvdfrvQRR82)()(40034rQ剪切速率剪切速率速度速度体积流量体积流量毛细管流变仪表观剪切速率计算公式：毛细管流变仪表观剪切速率计算公式：哈根哈根-泊肃叶方程（泊肃叶方程（Hagen-Poiseuille方程）方程）表观剪切粘度：表观剪切粘度：2rP rL34rQr38rrrPLQ控制：活塞速率表观剪切粘度牛顿流体聚合物流体问题：表观剪切粘度是否问题：表观剪切粘度是否是真实粘度？是真实粘度？不是，还需经过不是，还

6、需经过Bagley校正校正和和Rabinowitisch 校正，才校正，才能得到真实粘度能得到真实粘度Rabinowitisch Rabinowitisch 校正校正34rQapp 表观剪切速率表观剪切速率 (牛顿流体牛顿流体)校正剪切速率校正剪切速率 (聚合物熔体聚合物熔体)If n = 0.5, = 1.25 * a.n =d (log )d (log ).polyethylene 0.3 to 0.6polypropylene0.3 to 0.4PVC 0.2 to 0.5 polyamide0.6 to 0.934314wQnrnBagleyBagley校正校正校正的原因校正的原因:

7、:压力传感器安装的位置并不在毛细管上，而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。是在料筒筒壁处。BagleyBagley提出修正方法：保持压力梯度不变，将毛细提出修正方法：保持压力梯度不变，将毛细管虚拟地延长，并将入口区的压力降等价为在虚拟管虚拟地延长，并将入口区的压力降等价为在虚拟延长长度上的压力降延长长度上的压力降。 B2( +n R)()2wentRPLRPPL 毛细管壁上真毛细管壁上真实剪切应力：实剪切应力：3. 锥-板型转子流变仪简介转子流变仪转子流变仪小角度的振荡，可以提供如熔融黏度、分子质量、重均分子量分布和聚合物松弛等。储能（弹性）模量及损耗（粘性）模量与振荡频率

8、的关系图。 锥 和 板对于平行板，剪切对于平行板，剪切速率在边缘最大，速率在边缘最大，在中心点等于零在中心点等于零对于锥板，整个样对于锥板，整个样品上的剪切速率都品上的剪切速率都是恒定的是恒定的- - 如果间如果间隙正确隙正确! !0s-1 5s-1 10s-110s-1 10s-1 10s-1杯杯 和和 转子转子 (同轴圆桶同轴圆桶) 很宽的间隙很宽的间隙 (1-1.5mm)，适合填充适合填充材料材料 更大的表面积，测更大的表面积，测量稀薄液体时更灵量稀薄液体时更灵敏敏 减少了挥发减少了挥发杯和转子的不利之处杯和转子的不利之处 清除样品更困难清除样品更困难 与与 平板加热体系，平板加热体系，

9、兼容性相对较差兼容性相对较差3.1 锥-板型流变仪测量粘度原理：当圆锥体以一定角速度旋转时，带动高分子原理：当圆锥体以一定角速度旋转时，带动高分子熔体随之运动，熔体作用在固定板上的扭矩熔体随之运动，熔体作用在固定板上的扭矩N N可通可通过传感器测出。过传感器测出。332caNR3.3 锥-板型流变仪进行动态粘弹性测量储能储能 ( (弹性弹性) ) 模量模量, , G = G = 应力应力 x x Cos (Cos (相位角相位角) ) 应变应变 损耗损耗 ( (粘性粘性) ) 模量模量, , G” = G” = 应力应力 x x Sin (Sin (相位角相位角) ) 应变应变复数模量复数模量

10、, , G G* * = = 应力应力 应变应变其中，其中，相位角相位角： 施加信号和测量信号的位相施加信号和测量信号的位相 滞后滞后典型的动态粘弹性测量结果典型的动态粘弹性测量结果毛细管流变仪与转子流变仪的区别？毛细管流变仪适合测量的剪切速率大，而转子流变毛细管流变仪适合测量的剪切速率大，而转子流变仪适合测量较小的剪切速率（仪适合测量较小的剪切速率（1010-4-4100100）毛细管流变仪主要表征材料的粘性，而转子流变仪毛细管流变仪主要表征材料的粘性，而转子流变仪可表征材料的粘弹性可表征材料的粘弹性毛细管流变仪与成型加工更接近。毛细管流变仪与成型加工更接近。4. 落球式粘度计的测量原理原理

11、：将待测溶液置于玻璃测粘管中，放入加热恒原理：将待测溶液置于玻璃测粘管中，放入加热恒温槽，使之恒温。然后向管中放入不锈钢小球，令温槽，使之恒温。然后向管中放入不锈钢小球，令其自由下落，记录小球恒速下落一段距离其自由下落，记录小球恒速下落一段距离S S所需时所需时间间t t，可计算出溶液粘度，可计算出溶液粘度小球下落过程受到三个力作用：小球下落过程受到三个力作用：重力重力浮力浮力StokesStokes粘性阻力粘性阻力343bWRg343sfRg6FR 初始时小球在溶液内以加速运动下落，待速度升初始时小球在溶液内以加速运动下落，待速度升到一定值时，受力平衡，恒速下降。到一定值时，受力平衡，恒速下

12、降。22()9bsWFfgR小球速度可用光电测速装置测量，于是粘度就等于小球速度可用光电测速装置测量，于是粘度就等于特点：特点：结构简单，操作方便结构简单，操作方便剪切速率小，测得的粘度近似等于零剪切粘度剪切速率小，测得的粘度近似等于零剪切粘度可用于研究聚合或降解反应的动力学过程可用于研究聚合或降解反应的动力学过程22()9bsgRtS5.混炼机型转矩流变仪的原理和用途原理原理 通过记录物料在混合过程中转子或螺通过记录物料在混合过程中转子或螺杆产生的反扭矩以及温度随时间的变化，研究物料杆产生的反扭矩以及温度随时间的变化，研究物料在加工过程中的分散性能、流动行为及结构变化。在加工过程中的分散性能

13、、流动行为及结构变化。特点特点与实际生产设备（密炼机、挤出机）结构类似与实际生产设备（密炼机、挤出机）结构类似物料用量少物料用量少适合于生产配方和工艺条件的优选适合于生产配方和工艺条件的优选转矩流变仪转矩流变仪结构：结构：微机控制系统微机控制系统 参数设置及结果显示参数设置及结果显示机电驱动系统机电驱动系统控制速度、压力，记录控制速度、压力，记录温度、压力和转矩温度、压力和转矩可更换的实验部件可更换的实验部件密闭式混合器或螺杆挤密闭式混合器或螺杆挤出器出器密炼机的各种转子密炼机的各种转子Roller转子转子用于混合热塑性材料，如聚烯烃、聚氯乙烯、工程塑料等Banbury转子转子用于混合弹性体，

14、还可用于将粉末混合到热塑料材料中橡胶行业中应用更为普遍密炼机转子及应用密炼机转子及应用Delta转子转子热固性材料的混合和交联，使用540型锥形密炼腔Cam转子转子热塑料、较少轴向分布，陶瓷复合物、食品（粘稠、高扭矩）Sigma转子转子食品应用和塑料溶胶（有扭矩限制）密炼机转子及应用密炼机转子及应用密炼机密炼机测量原理测量原理 32在加热密炼腔内使用反在加热密炼腔内使用反向旋转转子的样品剪向旋转转子的样品剪切过程切过程试验结果：试验结果：扭矩扭矩熔体温度熔体温度密炼机密炼机试验过程试验过程密炼机清洁密炼机清洁转矩流变仪的典型曲线-1材料材料：聚烯聚烯烃烃 ：聚乙烯聚乙烯 PE PE 、聚丙烯聚

15、丙烯 PP PP 工程塑料：工程塑料：PSPS、PAPA、PCPC、PEEKPEEK、 LCP LCP 测试点测试点：L= L= 加料峰加料峰加入物料，物料较冷，扭矩很加入物料，物料较冷，扭矩很高高M = M = 最低点最低点 最低熔体粘度最低熔体粘度 12345678910扭矩 Nm运行时间ML0010203040506070800510152025Time minTorque Nm稳定剂对稳定剂对聚酰胺的影响聚酰胺的影响 PA6（使用稳定剂）PA6（不使用稳定剂）Rheomix600, Roller转子温度：280, 质量：52g, 转速：60 rpm0510152025300246810

16、1214使用不同炭黑的使用不同炭黑的SANTorque Nm时间 分Rheomix600, Roller转子温度：230, 质量：58g, 转速：40 rpmSAN & 30% 炭黑 2SAN & 30% 炭黑 1扭矩材料材料：PVC PVC （硬质）（硬质）测试点测试点：L =L =加料峰加料峰V = V = 谷点谷点 （熔融过程的起始点熔融过程的起始点）F = F = 塑化峰塑化峰 （ 熔融过程完成熔融过程完成）M = M = 最低点最低点012345678910扭矩 Nm运行时间 minLFVM转矩流变仪的典型曲线-2Rheomix600, Roller转子, 温度：16

17、0, 转速：40 rpmm：66 gm：60 gm：64 g样品量对样品量对PVC熔融的影响熔融的影响材料材料：PVC PVC （硬质）（硬质） 稳定性试验稳定性试验测试点测试点：L = L = 加料峰加料峰V = V = 谷点谷点 （熔融过程起始点熔融过程起始点）F = F = 塑化峰塑化峰 （ 熔融过程结束熔融过程结束）S = S = 稳定扭矩稳定扭矩M = M = 最低点最低点O = O = 分解发生分解发生D = D = 分解分解峰值峰值036912151821242730扭矩 Nm运行时间 minutes稳定时间DOMSFVL转矩流变仪的典型曲线-30510152025303540455005101520Time minTorque NmRheomix600, Roller转子温度：170 , 转速：60rpm, 质量：65ga： PVC 干混料（ 稳定剂1.9%）b： PVC 干混料 （稳定剂 2.0%）aabb应用：应用：PVC 稳定性试验稳定性试验材料材料： PVC PVC 粒料粒料（稳定性试验稳定性试验）交联材料交联材料 （PEPE、橡胶、橡胶、热固性材料热固性材料 ）测试点测试点：L =L =加料峰加料峰S