Chapter-6-流变仪的基本原理及应用解析.ppt

1、第六章 流变仪的基本原理及应用,1,三种主流流变仪,2,关于流变仪的简单介绍,3,关于流变仪的简单介绍,4,毛细管流变仪,5,两类主流毛细管流变仪的主要区别,毛细管流变仪,6,恒速型毛细管流变仪 的外形构造,核心部件 长径比：10/1、20/1、30/1、40/1等,物料加热成熔体 从料筒经挤压通过入口区进入毛细管 从毛细管中挤出 测物料黏度及其它流变参数,毛细管流变仪,7,熔体指数仪的基本结构与恒速型流变仪类似 不同之处：熔体指数测量仪中柱塞是变速运动 而后者是匀速运动,毛细管流变仪,8,物料在毛细管中流动的三区域： 入口区、完全发展区、出口区,毛细管流变仪,9,完全发展区的流场分析,1、B

2、agley 校正,牛顿流体：pexit 为零 粘弹性流体： 若其弹性形变在经毛细管后尚未完全恢复， 至出口处任存部分内压力，则导致pexit,毛细管流变仪,10,毛细管流变仪,11,实验中： 1、应保持Q恒定，若Q变，相当于剪切速率改变， e0 也随之变化； 2、由于pent主要因流体贮存弹性引起，故影响材料弹性的因素同样会影响e0取值； 3、当长径比小、剪切速率大、温度低时，不可忽略入口校正； 4、长径比40时，pent所占比例小可不做入口校正。,毛细管流变仪,12,牛顿黏度,壁剪切应力,真实剪切速率,毛细管流变仪,13,入口压力降的典型应用,零长毛细管流变仪法测量PVC样品在不同辊温下素炼

3、后的凝胶化程度,毛细管流变仪,凝胶度：,14,毛细管流变仪,15,出口区的流动行为,毛细管流变仪,16,L/D较大时： B与长径比几乎无关； 此时挤出胀大原因主要来自分子链取向产生的弹性形变， 而入口区弹性形变影响已不明显,毛细管流变仪,17,B,DR / D,料筒内径 / 毛细管直径,毛细管流变仪,18,毛细管流变仪,测试方法,19,毛细管流变仪,20,毛细管流变仪,21,基本应用,聚合物熔体剪切黏度的研究,流动曲线的时温叠加,聚合物熔体弹性的研究,由末端校正计算熔体弹性,法向应力差的计算,挤出胀大比的研究,毛细管流变仪,22,毛细管流变仪,23,负荷与滑塞速度 平衡,此处n不是幂律指数,毛

4、细管流变仪,24,计算出毛细管管壁处剪切速率,管壁处黏度,用毛细管流变仪所测得数据实为 管壁处流变数据,毛细管流变仪,25,旋转流变仪,26,基本结构,旋转流变仪,27,椎板,在锥顶角很小的情况下，剪切速率是常数，并且相应的流动为简单剪切流动。这个结果是从牛顿流体得出的，我们也假设对于粘弹性流体它也成立。因此，一般建议锥顶角应该小于3。,：施加于椎板的 旋转角速度,0：锥顶角,旋转流变仪,28,锥板结构的优点： (i) 剪切速率恒定，在确定流变学性质时不需要对流动动力学作任何假设。不需要流变学模型； (ii) 测试时仅需要很少量的样品，这对于样品稀少的情况显得尤为重要，如生物流体和实验室合成的

5、少量聚合物； (iii) 体系可以有极好的传热和温度控制； (iv) 末端效应可以忽略，特别是在使用少量样品，并且在低速旋转的情况下。,旋转流变仪,29,旋转流变仪,30,黏度的测量：,旋转流变仪,31,第一法向应力差的测量：,旋转流变仪,32,平行板,平行板间的距离可以调节到很小。小的间距抑制了二次流动，减少了惯性校正，并通过 更好的传热减少了热效应。综合这些因素使得平行板结构可以在更高的剪切速率下使用。 (ii) 因为平行板上轴向力与第一法向应力差和第二法向应力差(分别为1 N 和2 N )的差成正比，而不是像在锥板中与第一法向应力差成正比，因此可以结合平行板结构与锥板结构来测量流体的第二

6、法向应力差。 (iii) 平行板结构可以更方便地安装光学设备和施加电磁场。 (iv) 在一些研究中，剪切速率是一个重要的独立变量。平行板中剪切速率沿径向的分布可以使剪切速率的作用在同一个样品中得到表现。 (v) 对于填充体系，板间距可以根据填料的大小进行调整。因此平行板更适用于测量聚合物共混物和多相聚合物体系(复合物和共混物)的流变性能。 (vi) 平的表面比锥面更容易进行精度检查。 (vii) 通过改变间距和半径，可以系统的研究表面和末端效应。 (viii) 平行板的表面更容易清洗。,平行板结构的优点：,旋转流变仪,33,旋转流变仪,34,黏度的测量：,旋转流变仪,35,第一法向应力差的测量

7、：,旋转流变仪,36,第二法向应力差的测量：,旋转流变仪,37,同轴圆筒,1、基本结构,旋转流变仪,38,2、黏度的测量,旋转流变仪,39,3、第一法向应力差的测量,旋转流变仪,40,测量系统的选择,旋转流变仪,41,旋转流变仪,42,1、稳态模式,HDPE的稳态剪切粘度,测量模式的选择,旋转流变仪,43,旋转流变仪,44,2、瞬态模式,旋转流变仪,45,旋转流变仪,46,蠕变实验也可以用来测量材料的粘度，只要将施加的应力除以剪切速率。 优点：可以得到比动态或稳态方法更低的剪切速率。这就可以方便地测量熔体的零剪切粘度。,旋转流变仪,47,2、动态模式,聚二甲基硅氧烷(PDMS)的应变扫描曲线,

8、a、应变(应力) 扫描,旋转流变仪,48,应变扫描是给样品以恒定的频率施加一个范围的正弦形变(应变)。 一般来讲，粘弹性材料的流变性质在应变小于某个临界值时与应变无关，表现为线性粘弹性行为；当应变超过临界应变时，材料表现出非线性行为，并且模量开始下降。因此材料储能模量和损耗模量的应变幅度的依赖性往往是表征粘弹行为的第一步：应变扫描确定了材料线性行为的范围。 动态应变扫描可用来： 确定线性粘弹性的范围； 对非线性行为明显的材料，如填充的热塑性材料和热塑性聚合物共混物，进行表征，往往填料的存在降低了临界应变的值。 应变扫描应在不同的频率下进行，因为临界应变具有一定的频率依赖性。,旋转流变仪,49,

9、旋转流变仪,50,旋转流变仪,51,旋转流变仪,52,具体应用,转矩流变仪,53,基本结构,转矩流变仪,54,转矩流变仪,55,基本原理,1、扭矩谱,转矩流变仪,56,1、采用混合器测试时，高聚物以粒子或粉末的形式自加料口加入到混炼室中，物料受到上顶栓的压力，并且通过转子表面与混合室壁之间的剪切、搅拌、挤压，转子之间的捏合、撕扯，转子轴向翻捣、捏炼等作用，实现物料的塑化、混炼，直至达到均匀状态。 2、高聚物被加入到混炼室中时，自由旋转的转子受到来自固体粒子或粉末的阻力，转矩急剧上升；当此阻力被克服后，转矩开始下降并在较短的时间内达到稳态；当粒子表面开始熔融并发生聚集时，转矩再次升高；在热的作用

10、下，粒子的内核慢慢熔融，转矩随之下降；当粒子完全熔融后，物料成为易于流动的宏观连续的流体，转矩再次达到稳态；经过一定时间后，在热和力的作用下，随着交联或降解的发生，转矩会有较大幅度的升高或降低。 3、在实际加工过程中，第一次转矩最大值所对应的时间非常短，很少能够观察得到。转矩第二次达到稳态所需的时间通常为315min，这依赖于所采用的材料和加工条件(温度和转速)。,转矩流变仪,57,2、转矩与转速,转矩流变仪,58,3、操作的基本步骤,转矩流变仪,59,基本应用,1、高分子本体材料的结构分析,高转速时LLDPE的扭矩曲线最高，LDPE的扭矩曲线最低； LLDPE比HDPE的剪切敏感性更强，两条

11、扭矩曲线在10min的高转速混合期间发生了交叉； 而在低转速条件下，LLDPE和LDPE的扭矩曲线的位置发生了交换，这与毛细管流变仪、旋转流变仪的粘度曲线是相吻合。,三种不同结构聚乙烯的扭矩曲线,加工温度：200 ,N1=150r/min,N2=5r/min,转矩流变仪,60,2、不同类型稳定剂的研究,CaZn-Stabi和Pb-Stabi #1两种稳定剂所对对应的转矩出现升高的时间较短， 而Pb-Stabi #3对应的转矩出现升高的时间最长，因此Pb-Stabi #3的稳定效果最好。 可见，利用转矩流变仪可模拟实际加工过程，为选择合适的稳定剂提供依据。,转矩流变仪,61,利用转矩流变仪还可研

12、究不同用量稳定剂对PVC塑化性能的影响。 随着稳定剂用量的增加，塑化峰出现的时间延长，但三条扭矩曲线最终都重合在一起，表明最终的混合效果是相同的； 值得指出的是，总功率(总扭矩)随稳定剂用量的增加而减小，这对降低能耗是非常有利的。,转矩流变仪,62,上图分别是不同加料顺序时转矩、输入机械能随时间的变化曲线。 从图中可以看出，实验1、2的第一段(02min)曲线重合，表明此实验方法具有很好的可重复性。在实验的第二段，实验1中加入填充剂，而实验2中则加入树脂，可以看出，加入填充剂后的转矩是加入树脂的4倍。在实验的第三段，实验1中加入树脂，而实验2中加入填充剂，此时两个实验的转矩曲线再度重合，表明两者最终产物的粘度是相同的。 从两个实验的能量消耗曲线可以看出，实验1所消耗的能量大约比实验2多40%。,3、加料顺序的优化,转矩流变仪,63,4、高分子交联过程的研究,聚合物发生交联反应时，其分子链由线性结构转变成为三维的网状结构，体系的粘度增大，转矩也