聚合物毛细管流变仪

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     聚合物流变学是研究高分子材料流动和形变的科学，对高分子材料加工性能的评价主要是流变行为的测试。与测定聚合物流变行为的其他仪器相比，毛细管流变仪具有结构简单、温度调节范围较宽、用料少、测量时间短、剪切速率较宽等优点，已被广泛用于聚合物的加工测试与研究。 
  　　本文以聚丙烯为研究对象，用毛细管流变仪测量其流变行为，得到一系列剪切速率、粘度、不稳定流动等比较接近加工过程的流变曲线和数据，并说明了毛细管流变仪在高分子材料流变性能、配方的筛选优化以及产品质量控制方面的应用。由于毛细管流变仪使用较少样品进行配方设计，既能测试分析，又省时经济，已在塑料加工性能研究、配方设计等方面起到了重要应用。 
  　　1毛细管流变仪的系统组成 
  　　毛细管流变仪是一种基于塑化分析研究的材料流变性能测试设备，其突出的特点是可以在接近真实加工条件下，对材料的流变行为进行研究。毛细管流变仪主要由驱动系统、控温系统、软件系统和各种附件组成。 
  　　1.1驱动系统 
  　　毛细管流变仪的驱动系统主要为各功能单元提供动力和控制功能，其腔体是一个圆柱形的塑化器，是流变仪的重要组成部分。在高分子材料的加工过程中，通常根据试验材料对剪切强度的要求，选择不同的口模。通过记录物料在测试过程中的温度、表观切应力、粘度随剪切速率的变化，可研究材料在加工过程中的分散性能、流动行为及热稳定性等，并得到流变曲线，客观呈现材料的加工塑化过程。 
  　　1.2控温系统 
  　　毛细管流变仪的控温系统主要通过传感器测量腔体的温度值，并将其转换为信号，再输入温度显示调节仪表，与设定的信号相比较，经过运算后改变执行器输出操作变量，从而改变加热腔体的热量，达到控制温度的目的。当腔体内的温度大于限定区间时，控温系统自行下调温度，当腔体内的温度小于此区间时，控温系统自行上调温度，以保障系统硬件设备和传感器连接正常。 
  　　1.3软件系统 
  　　毛细管流变仪的软件系统，主要采用自动校准和实验测试两大模块。其中，自动校准模块测量采用集成式的模块化设计，可实现传感器的自动校正、口模自动识别等功能，便于操作和理解；实验测试模块主要按照程序进行实验条件的设置，实现测量参数、曲线和表格同步显示的功能。另外，可以通过自动分析剪切速率与粘度曲线上的特定点，读取相应的实验数据。 
  　　2毛细管流变仪的应用分析 
  　　2.1工作曲线 
  　　毛细管流变仪的工作原理是物料在温度、压力等因素的作用下，由粒状（或粉状）变成熔体的塑化过程，测试物料由玻璃态向粘流态转变的动态流变现象。在实验过程中，先设定好毛细管流变仪的操作参数，按照测试条件称取适量物料，待温度达到设定条件后，安装合适的口模、压力传感器，待温度稳定之后，加入物料开始测试，通过实验可获得物料在某一温度下，粘度和表观切应力随剪切速率的变化曲线。同时，计算机屏幕上会动态显示物料的温度、表观剪切速率、表观切应力和表观粘度动态流变曲线。 
  　　　2.2表观粘度与剪切速率的关系 
  　　毛细管流变仪测定在某一特定温度下的粘度值，若表观粘度随剪切速率的变化不变，则被测定为牛顿流体；若粘度随剪切速率的变化而变化，说明这种流体是一种典型的非牛顿流体。一般情况下，在温度和压力一定的前提下，大多数材料熔体的粘度是随着剪切速率的增加而下降的，但是不同的材料对剪切速率（切应力）的敏感程度是不一样，但在剪切速率很低和很高的情况下，表观粘度几乎不随剪切速率变化而变化。 
  　不同材料所对应的非牛顿流变曲线。当温度恒定的情况下，表观粘度随剪切速率的增加而急剧减小，但是当剪切速率达到1000s-1左右时，表观粘度的变化趋势变缓，说明在一定的剪切速率范围内，提高剪切速率会显著降低材料的粘度，改善其流动性能。然而，在相同的测试条件下，实验发现：聚丙烯（PP）较聚乳酸（PLA）对剪切速率具有较强的敏感性。 
  　　2.3表观粘度与温度之间的关系 
  　　表观粘度是剪切速率或温度的函数。所以，只有剪切速率恒定时，研究温度对粘度的影响才有实际意义。一般来说，温度升高，必然使得分子间的运动加快，从而使得分子链之间的缠绕降低，分子之间的距离增大，从而导致粘度降低，而温度太低，熔体粘度大，流动困难，成型性差，并且弹性大，也会影响制品的稳定性。 
  　　不同温度所对应的表观粘度与剪切速率之间的关系。随着温度的升高，PP的表观粘度呈指数方式下降，也表明温度的敏感性要比剪切作用的敏感强。根据分子运动理论，当温度较高时，分子运动较快，形状复杂的分子链由卷曲运动趋于形成线团状态，表观粘度随之下降；当温度较低时，分子排列、分子之间的制约较强，表观粘度变化趋势较小。当温度达到一定程度时，其对物料的粘度影响削弱，主要与物料本身的性能有关，但是不同的材料粘度对于温度的影响程度不同。另外，从材料工艺学的角度出发，高温有利于材料成型，但制品收缩率大，还会引起分解，影响产品质量，因此，对于温度非常敏感的材料，温控十分重要，否则粘度变化较大，使操作不稳定。 　　

  2.4表观粘度与粘流活化能 
  　　依据Arrhenius方程，实验选取了低剪切速率范围所对应的表观粘度及实验温度。以PP为例，实验选定了170℃，180℃，190℃三个温度范围所对应的剪切速率下的表观粘度值，将固定剪切速率下的 a和对应温度T进行拟合，从而求得斜率，进而计算得到该剪切速率下的粘流活化能E 。 
  　　不同剪切速率所对应的粘流活化能。从表中可以看出，在实验温度范围内，粘流活化能随着剪切速率的增加而下降。这是因为外部剪切应力破坏了大分子之间缠结作用，使得链段活动范围变大，分子间距离增大，分子间的作用力削弱，致使分子链内旋转位垒较低，分子克服周围分子的作用发生迁移所需的能量较少，表现为粘流活化能小。 
  　　结合温度对于粘度的影响可以发现，在材料的正常加工范围内，提高剪切速率对粘度的影响和提高温度对于粘度的影响效果相似，但是从工艺的角度出发，单纯通过增加温度或提高剪切速率来提高材料的流动性能是不恰当的。因为过高的剪切速率不仅不能明显地改善流体的流动性，还可能会造成过多的功率损耗和过大的设备磨损，还会引起溢料和增加制品内应力等弊病，而温度过高，却会出现制品变形等缺陷，导致制品性能下降，影响使用。 
  　　3结语 
  　　随着对材料学研究的逐步深入，毛细管流变仪在聚合物材料及制品的科研和生产领域中的应用将越来越深入，提供了更接近于实际加工条件的流变性能。