流變性能測試在高分子加工成型中有何作用呢？

鑠思百檢測可提供流變儀檢測服務(wù)?；具^程：樹脂首先在熱的作用下逐漸熔融，并在外力的作用下發(fā)生混合、變形與流動，然后再經(jīng)過口模或在成型模具中形成具有一定形狀的制品。即：熔融-混合-變形-流動-定型

影響因素：溫度、壓力、黏性、彈性、分子量及其分布、內(nèi)部形態(tài)結(jié)構(gòu)等。

因此，必須通過大量的流變實驗來獲取流變數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析規(guī)律，掌握變化規(guī)律，建立相應(yīng)關(guān)系，才能更好地指導實踐。

按照流動和變形對時間的依賴性分類，可分為：

（1）穩(wěn)態(tài)流變實驗 ——實驗中材料內(nèi)部的剪切速率場、壓力場和溫度場恒為常數(shù)，不隨時間變化。

（2）動態(tài)流變實驗 ——實驗中材料內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變場均發(fā)生交替變化，一般以正弦規(guī)律進行，振幅較小。

（3）瞬態(tài)流變實驗 ——實驗時材料內(nèi)部的應(yīng)力或應(yīng)變發(fā)生階躍變化 。

高分子流變學測量的三個基本任務(wù)：

一、物料流變學表征

這是最基本的任務(wù)。了解體系組分、結(jié)構(gòu)等對加工流變性能的貢獻，優(yōu)化材料物理和力學性能設(shè)計、配方設(shè)計、工藝設(shè)計等。

二、工程流變學設(shè)計

研究加工成型設(shè)備中的溫度、壓力、速度分布，確定工藝參數(shù)，考察極限條件與工藝，為設(shè)備和模具的CAD和CAE提供依據(jù)。

三、發(fā)展流變本構(gòu)方程理論

最高級的任務(wù)。獲得材料黏彈性變化與材料結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，比較本構(gòu)方程優(yōu)劣，推動本構(gòu)方程理論的發(fā)展。 ——需要精密方便的測量方法和測試儀器； ——多功能、多模塊的流變計算軟件相配套。

流變儀是化工原料供應(yīng)商、科研院所、高校以及塑料改性研究和生產(chǎn)企業(yè)測定聚合物熔體粘彈性的儀器，根據(jù)其輸出的各種數(shù)據(jù)、曲線和圖表等科學信息來估測樹脂的加工性能，為新型材料的開發(fā)應(yīng)用、質(zhì)量監(jiān)控、科研及教學提供科學的研究手段。

大型塑料制品企業(yè)也利用流變儀對在線混配實驗進行配方設(shè)計，確定哪一種原料適合加工或應(yīng)用到什么領(lǐng)域、如何優(yōu)化及改進其綜合性能，并可以提供按比例放大的過程模擬。

常用的流變測量儀器的分類：

恒壓力毛細管流變儀

恒速率毛細管流變儀

落球黏度計

門尼黏度計

常見流變儀的測試范圍：

1 毛細管流變儀

毛細管流變儀是目前發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣的流變測量儀 。

優(yōu)點：操作簡單、測量范圍寬(10-2~105剪切速率)

具體應(yīng)用： （1）測定高分子熔體在毛細管中的剪切應(yīng)力和剪切速率的關(guān)系； （2）根據(jù)擠出物的直徑和外觀，在恒定應(yīng)力下通過改變毛細管的長徑比來研究熔體的彈性和熔體破裂等不穩(wěn)定流動現(xiàn)象； （3）預(yù)測聚合物的加工行為，優(yōu)化復合體系配方、最佳成型工藝條件和控制產(chǎn)品質(zhì)量； （4）為高分子加工機械和成型模具的輔助設(shè)計提供基本數(shù)據(jù)； （5）作為聚合物大分子結(jié)構(gòu)表征和研究的輔助手段。

分類：恒壓型和恒速型兩類

區(qū)別：恒壓型的柱塞前進壓力恒定，待測量為物料的擠出速度； 恒速型的柱塞前進速率恒定，待測量為毛細管兩端的壓力差。

核心部位：毛細管

長徑比（L/D）=10/1、20/1、30/1、40/1等；

過程：物料加熱、柱塞施壓、物料擠出、測量流變參數(shù)

基本應(yīng)用： 1、研究聚合物的剪切黏度 2、對流動曲線進行時溫疊加處理 3、研究聚合物熔體的彈性

1.1 恒壓型毛細管流變儀

熔體流動速率： 測量高分子材料在一定的溫度和壓力下，熔體每分鐘通過規(guī)定的標準口模的質(zhì)量，單位為g/10min；

具體過程：

（1）選定測定溫度，使料筒預(yù)熱，待溫度穩(wěn)定后，往料筒內(nèi)裝入稱好的(約3-4g)試樣，壓實，待預(yù)熱6-8min后，加選定負荷砝（2160g，3.04 g等），切去料頭，在規(guī)定的時間間隔內(nèi)連續(xù)切5~10個切段。

（2）將各切段用電子分析天平稱重，并按下式計算熔體流動速率值：

其中，MFR：熔體流動速率，g/10min，W：5 個切段樣質(zhì)量的算術(shù)平均值，g，t：每個切段所需時間，s。 對于一定結(jié)構(gòu)的聚合物，MFR 值降低，其分子量較大，則其斷裂強度、硬度等都較大，而MFR值增大，則聚合物的分子量降低，加工時的流動性較好。

1.2 恒速型毛細管流變儀

工作原理：物料在電加熱的料桶里被加熱熔融，料桶的下部安裝有一定規(guī)格的毛細管口模（有不同直徑0.25～2mm和不同長度的0.25～40mm），溫度穩(wěn)定后，料桶上部的料桿在驅(qū)動馬達的帶動下以一定的速度或以一定規(guī)律變化的速度把物料從毛細管口模中擠出來。在擠出的過程中，可以測量出毛細管口模入口出的壓力，在結(jié)合已知的速度參數(shù)、口模和料桶參數(shù)、以及流變學模型，從而計算出在不同剪切速率下熔體的剪切粘度。

物料從直徑直大的料筒經(jīng)擠壓通過有一定入口角的人口區(qū)進入毛細管，然后從出口擠出，其流動狀況發(fā)生巨大變化。人口區(qū)附近物料有明顯的流線收斂現(xiàn)象。 物料在進入毛細管一段距 離之后才能得到充分發(fā)展， 成為穩(wěn)定的直動。而在出 口區(qū)附近。由于約束消失， 熔體出現(xiàn)擠出脹大現(xiàn)象， 流線也發(fā)生變化。因此， 物料在毛細管中的流動 動可分為三個區(qū)域：入口區(qū)、 完全發(fā)展的流動區(qū)和出口區(qū)。

2 旋轉(zhuǎn)流變儀

依靠旋轉(zhuǎn)運動來產(chǎn)生簡單剪切，快速確定材料的黏性、彈性等各方面的流變性能。

兩種類型： （1）應(yīng)變控制型 1888年Couette提出的，驅(qū)動 一個夾具，測量產(chǎn)生的力矩； （2）應(yīng)力控制型 1912年Searle提出的，施加一定的力矩，測量產(chǎn)生的旋 轉(zhuǎn)速度。

基本結(jié)構(gòu)：

一、錐板

多應(yīng)用于測量黏彈性流體； 其頂角θ0一般很小，<3° 在錐板上施加一定的旋轉(zhuǎn)角速度Ω時，其剪切速率為：

黏度的測量 表達式：

其中，M是扭矩，可以用實驗獲得。

優(yōu)點： （1）剪切速率恒定，無需對流動動力學作任何假設(shè)； （2）測試僅需要少量樣品，尤其適用于精細化學合成實驗或生物流體； （3）體系有極好的傳熱和溫度控制； （4）可以忽略末端效應(yīng)

缺點： （1）剪切速率不能過大，可變化范圍很??； （2）含揮發(fā)性溶劑的溶液中，溶劑揮發(fā)和自由邊界會給測量結(jié)果帶來不利影響；有時需要進行一定的涂覆惰性物質(zhì)處理； （3）多相體系中，分散相粒子的尺寸若和兩板間距相近，則誤差很大； （4）一般不用于溫度掃描實驗。

二、平行板

由兩個半徑為R、可旋轉(zhuǎn)的同心圓盤組成，間距為h，施加一定的角速度Ω時，其剪切速率為：

r：流體在圓盤上鋪展的半徑，0<r≤R

黏度的測量

式中： M—轉(zhuǎn)矩，可由實驗獲得；

—流體鋪展半徑為R時的剪切速率； n —非牛頓指數(shù)

優(yōu)點：

（1）平行板間的距離可調(diào)到很小，減少慣性校正和熱效應(yīng)，可以在更高的剪切速率下使用；

（2）可以測量流體的第二法向應(yīng)力差；

（3）可以通過安裝光學設(shè)備和施加電磁學，進行光流變、電流變和磁流變等功能測試；

（4）剪切速率隨熔體的鋪展半徑變化，方便研究剪切速率的獨立變化；

（5）可以通過調(diào)節(jié)板間距離，使其適用于共混、填充等聚合物復合體系；

（6）可以系統(tǒng)研究聚合物熔體的表面和末端效應(yīng)。

（7）比錐板結(jié)構(gòu)的更易進行精度檢查且易清洗。

三、同軸圓筒

是最早用于測量黏度的旋轉(zhuǎn)流變儀； 由兩個半徑分別為R和KR的內(nèi)、外筒組成，K<1； 內(nèi)筒靜止，外筒以角速度Ω旋轉(zhuǎn)； 適用于中、低黏度均勻流體測量，不適用于高黏度、糊劑和含有大顆粒的懸浮液

黏度測量 當內(nèi)外筒間距很小時（K>0.97），筒間的流場可以近似為簡單剪切運動，其剪切速率可以看出常數(shù)，則：

若筒間距不是很小時，則：

測量系統(tǒng)的選擇

三種不同結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)流變儀，其剪切速率和應(yīng)力分別如下：

測試時： （1）要明確流變儀的轉(zhuǎn)速和扭矩范圍，確定是否符合實際的測量要求； （2）如果存在多種測量系統(tǒng)都使用的情況，則需要按照精度、測量誤差等需求，選擇最合適的，這對于獲得理想的結(jié)果非常重要。

測量模式的選擇

根據(jù)施加應(yīng)變或應(yīng)力的方式，分為：

      （1）穩(wěn)態(tài)測試 用連續(xù)的旋轉(zhuǎn)來施加應(yīng)變或應(yīng)力，得到恒定的剪切速率，測試剪切流動達到穩(wěn)態(tài)時流體形變產(chǎn)生的扭矩。

      （2）瞬態(tài)測試 通過施加瞬時改變的應(yīng)變(速率)或應(yīng)力，來測量流體的響應(yīng)隨時間的變化。

      （3）動態(tài)測試 對流體施加周期振蕩的應(yīng)變或應(yīng)力，側(cè)臉個流體響應(yīng)的應(yīng)力或應(yīng)變。

一、穩(wěn)態(tài)模式

      （1）穩(wěn)態(tài)速率掃描 通常在應(yīng)變控制型流變儀上完成； 可以得到黏度和法向應(yīng)力差與剪切速率的關(guān)系； 若靈敏度足夠高，可得到零剪切黏度。

      （2）觸變循環(huán) ——對材料施加線性增大再減小的 穩(wěn)態(tài)剪切速率；反映材料在不斷 變化的剪切速率下的黏度變化， 也可反映材料結(jié)構(gòu)隨剪切速率變 化的規(guī)律。

二、瞬態(tài)模式

      （1）階躍應(yīng)變速率掃描 施加階躍變化，但在每個 區(qū)間都恒定的剪切速率； 確定恒定溫度下的應(yīng)力增長和松弛過程，以及穩(wěn)態(tài)剪切后的松弛過程

      （2）應(yīng)力松弛 施加并維持一個瞬態(tài)應(yīng)變， 測量維持這個應(yīng)變所需的 應(yīng)力隨時間的變化。 確定應(yīng)力松弛模量：應(yīng)力/常數(shù)應(yīng)變

      （3）蠕變 與應(yīng)力松弛相反，給樣品施加恒定的應(yīng)力，測量樣品的應(yīng)變隨時間的變化。 蠕變?nèi)崃?測量的應(yīng)變/施加的應(yīng)力；J(t) 恢復柔量=可恢復的應(yīng)變/施加的應(yīng)力；Je 可以用來預(yù)測材料在負載下 的長期行為。

三、動態(tài)模式

（1）動態(tài)應(yīng)變(應(yīng)力)掃描 以恒定頻率施加正弦應(yīng)變或應(yīng)力，測量材料的貯能模量、損耗模量和復數(shù)黏度與應(yīng)變或應(yīng)力的關(guān)系。當應(yīng)變(應(yīng)力)小于臨界值：線性黏彈性行為；當應(yīng)變(應(yīng)力)大于臨界值：非線性行為，模量開始下降。

（2）動態(tài)時間掃描 在恒定溫度下，給樣品施加恒定頻率的正弦形變，并在預(yù)設(shè)的時間范圍內(nèi)進行連續(xù)測量。 檢測材料的化學、熱以及力學穩(wěn)定性。

（3）動態(tài)頻率掃描 以一定的應(yīng)變幅度和溫度，施加不同頻率的正弦形變，在每個頻率下進行一 次測試。研究很寬頻率范圍內(nèi) 的貯能模量和損耗模量的頻率 依賴性。

（4）其他掃描模式 等變率溫度掃描、動態(tài)單點、瞬態(tài)單點、復合波單點、任意波形掃描…… 可以反映出聚合物內(nèi)部分子量及分布、界面松弛行為、介觀結(jié)構(gòu)及形態(tài)、宏觀流變性為的影響因素等多個方面的信息，建立更 加全面地建立內(nèi)部結(jié)構(gòu)-流動-成型 加工的關(guān)聯(lián)。

3 轉(zhuǎn)矩流變儀

多功能、積木式

記錄混合過程中物料對轉(zhuǎn)子或螺桿產(chǎn)生的反扭矩隨溫度和時間的變化； 研究分散性能、流動行為和結(jié)構(gòu)變化（交聯(lián)、熱穩(wěn)定等）

優(yōu)勢之處：與實際的設(shè)備，如單、雙螺桿擠出機、密煉機，的結(jié)構(gòu)相似，模擬混煉、擠出的加工過程，優(yōu)化配方和工藝。