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第六篇流变性能分析 高分子材料分析 14 1流变学基础知识14 2旋转式流变仪14 3毛细管流变仪14 4转矩流变仪14 5流变仪的选择 高分子材料分析 第十四章流变性能分析 14 1流变学基础知识 研究物质的流动与形变的科学 高分子材料分析 物体在某一瞬间所表现的应力与应变的定量关系 即用一些参数把应力 和应变 的关系表示为流变方程式 流变特性 牛顿粘性定律 剪切速率 流体分类 粘性流体分为 牛顿流体非牛顿流体 宾汉流体假塑流体胀塑流体 高分子材料分析 E 宾汉流体 胀塑流体 牛顿流体 y 剪切速率 屈服 胀塑流体 非依时性流体的流动曲线 屈服应力 假塑流体 屈服 假塑流体 幂律定律 做曲线 可以求出nn 1 牛顿流体n 1 胀塑流体n 1 假塑流体 高分子材料分析 非依时性流体 粘度不随时间变化 两类依时性的流变行为 触变流体 随时间增加 粘度下降 流凝流体 随时间增加 粘度增大 震凝体 高分子材料分析 粘度的表示 习惯用泊 厘泊表示 高分子材料分析 牛顿型流体 常见物质20 的粘度 水1 0cp血液37 4 15cp汽油0 65cp蜂蜜104cp水银15cp沥青108cp 高分子材料分析 非牛顿流体的粘度 对于非牛顿流体 一般用表观粘度表示 也有用初始粘度 稠度等表示 表观粘度 随剪切应力或剪切速率而改变 用表观粘度可以大致了解流体在某一剪切速率下的流动性 仅仅用一个表观粘度难以描述非牛顿流体的流动曲线 表观粘度 连接原点和给定减切速率在曲线上的对应点所做割线的斜率 稠度 选定剪切速率在曲线上的对应点对该曲线所做切线的斜率 初始粘度 零切变粘度 高分子材料分析 仪器测试 1 旋转式流变仪器 同轴圆筒粘度计 测定粘度的基本仪器 由两个同轴圆筒组成 在两个圆筒之间装填被测流体 内筒以一定的速度旋转 测定作用在外筒上的转矩 根据转矩与转速的关系 测定粘度 应力 粘度 高分子材料分析 高分子材料分析 锥板粘度计 高剪切速率样品 聚合物熔体被放置在锥板和圆形平板之间的缝隙内 锥角 指的是锥体表面和水平板表面间的夹角 平行平板粘度计 高粘度样品 固定一个平板 另一个平板作相对转动 聚合物样品被放置在上下两个平行平板之间 门尼粘度计 橡胶粘度 在一定温度和一定转子转速下 测定未硫化胶对转子转动的阻力 高分子材料分析 旋转式流变仪应用 表征流体粘度与温度的关系通过流变曲线判定流体的类别法向应力差的测定 高分子材料分析 韦森堡效应 爬杆效应 2 毛细管流变仪 熔融指数仪 固定压力型将高聚物在柱状储料器中加热到一定温度 使之完全熔融 然后加上一定负荷 使高聚物从长度很短的毛细管中流出 单位时间流出的高聚物重量 g数 即为熔融指数 MI 高分子材料分析 MI单位 g 10min 熔融指数越大 流动性越好 粘度越低 测试条件必须一致 MI温度 负荷量 熔融指数高 注射成型 熔融指数低 挤出成型 熔融指数介于两者之间 吹塑成型 可变压力型毛细管流变仪一般为柱塞式 通过在柱塞上施加一定的压力 使料筒中的高聚物熔体发生流动 高分子材料分析 乌氏粘度计 测定特性粘度 毛细管流变仪应用研究流变性质与分子结构的关系研究添加剂对原材料流变性能的影响聚合物粘弹性的研究研究不同材料对温度的敏感性剪切诱导结晶与压力突增现象 高分子材料分析 研究流变性质与分子结构的关系 研究添加剂对原材料流变性能的影响 P168图19 4和图19 5 挤出胀大效应 3 转矩流变仪 用于评价高聚物熔体的流动性能 物料在混炼室中 受到转速不同 转向相反的两个转子所施加的作用力 使物料在转子与室壁间进行混炼剪切 物料对转子凸棱施加反作用力 这个力由测力传感器测量 在经过机械分级的杠杆力臂转换成转矩值的单位克 米 g m 读数 其转矩值的大小反应了物料粘度的大小 通过热电偶对转子温度的控制 可以得到不同温度下下物料的粘度 高分子材料分析 仪器结构 组成 主体部分 电机 齿轮变速箱 转矩传感器测量装置 密炼式混合测量头 螺杆挤出式测量头控温装置 热电偶 控温仪表 高分子材料分析 转矩与时间的关系曲线 t1 物料受热压实时间 t2 塑化时间 熔融软化 t3 达到平衡时间 物料动态稳定 t4 物料分解 交联时间 M1 最小转矩 M2 最大转矩 M3 平衡转矩 可得到的信息 高分子材料分析 1 判断可加工性 由于转矩值的大小直接反映了物料的粘度和消耗的功率 由此可以看出此配方是否具有加工的可能性 若转矩太大 则在加工中需要消耗许多电力 或在更高温度下 才能降低转矩 也需耗电 成本提高 这时应考虑改变配比 下调转矩 2 加工时间 热塑性材料 要求t4不能太短 否则还未成型就已分解 交联 热固性材料 若t4太长 效率太低 需很长时间才能固化脱模 周期长 若t4太短 物料很快就固化在螺杆或模具中 3 加工温度 可以测定不同温度下的转矩流变曲线 得到M T关系曲线 4 材料的稳定性 研究分解时间的长短 5 可将转矩换算成剪切应力 剪切速率或粘度 得到流变曲线 转矩流变仪的应用 选择原材料 可判别材料的热稳定性 研究共混物的配比以及共混后两相的分布情况 制定工艺配方和工艺条件 研究添加剂对原料性能的改善 研究聚合物耐热及耐减切稳定性 增塑剂吸收情况的研究 热固性树脂固化特性的研究 高分子材料分析 本章要点 1