高壓毛細(xì)管流變儀的原理及應(yīng)用

聚合物高壓毛細(xì)管流變儀由于具有操作簡單，測量準(zhǔn)確，測量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，已成為發(fā)展的Z成熟、應(yīng)用Z為廣泛的流變測量儀器之一。本文介紹的聚合物高壓毛細(xì)管流變儀具有三個(gè)料筒。一次實(shí)驗(yàn)效率高，相當(dāng)于單料筒、雙料筒高壓毛細(xì)管流變儀多次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。設(shè)計(jì)合理、測量結(jié)果精確、重復(fù)性好，滿足市場需求，達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)指標(biāo)。本文介紹了聚合物高壓毛細(xì)管流變儀的工作原理，和黏度測量的基本理論。并對(duì)高壓毛細(xì)管流變儀的應(yīng)用作了詳細(xì)的介紹。

高壓毛細(xì)管流變儀測試原理

黏度測定基本定律為：即剪切應(yīng)力與剪切速率的比。當(dāng)在一定溫度下，剪切應(yīng)力隨著剪切速率成比例的變化時(shí)，即黏度不變，我們稱作這種流體為牛頓流體，不服從這種規(guī)律的即是非牛頓流體。

剪切應(yīng)力：物體由于外部因素如載荷、溫度變化等原因產(chǎn)生變形時(shí)，在物體內(nèi)部任一單位面積所受到的相互作用力，即單位面積所受的剪切力。

剪切速率：剪切速率(shearrate)即是流體的流動(dòng)速度相對(duì)于管道內(nèi)壁的變化速率，剪切速率等于任一兩個(gè)頁面的流動(dòng)速度差與高度差的比。

聚合物高壓毛細(xì)管流變儀的基礎(chǔ)部分是一個(gè)溫度可控制的圓筒形加熱爐，加熱套在料筒(投料區(qū))外部，靠加熱套進(jìn)行加熱升溫。把待測試的樣品(高分子聚合物)裝入料桶內(nèi)，加熱腔體內(nèi)裝有不同長徑比的模芯，待樣品為熔融狀態(tài)時(shí)從不同長徑比模芯的毛細(xì)管中擠出，同時(shí)利用溫度傳感器和壓力傳感器分別安裝在料筒內(nèi)測量樣品溫度和毛細(xì)管入口壓力；柱塞桿在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的作用下，壓縮在熔融狀態(tài)下測樣品，以不同的體積流量通過毛細(xì)管模芯中擠出；在物料被擠出的過程中，通過測量儀表，檢測出柱塞桿的實(shí)時(shí)位置、速度、熔體壓力，從而計(jì)算出剪切速率、剪切應(yīng)力、壓力和黏度等數(shù)據(jù)。

聚合物高壓毛細(xì)管流變儀的用途

聚合物高壓毛細(xì)管流變儀主要用于聚合物高分子材料的研究和開發(fā)；為制定聚合物高分子材料的生產(chǎn)工藝提供科學(xué)數(shù)據(jù)；為研制新型復(fù)合高分子材料提供科學(xué)依據(jù)；指導(dǎo)解決產(chǎn)品質(zhì)量糾紛。

1.指導(dǎo)生產(chǎn)工藝

高分子材料在生產(chǎn)加工中主要注意兩個(gè)參數(shù)：一個(gè)是溫度；另一個(gè)是速度(剪切速率)。在固定剪切速率下，測量不同溫度時(shí)的流動(dòng)曲線，通過材料的黏度隨溫度的變化曲線，可以知道材料對(duì)溫度的敏感程度，流動(dòng)曲線隨溫度變化的曲線斜率越陡峭，說明對(duì)溫度越敏感。反之，如果流動(dòng)曲線隨溫度的變化曲線很平緩，說明這種材料對(duì)溫度不敏感。

當(dāng)然，從曲線上可以很容易找到，在什么溫度下，熔體的流動(dòng)性能好，適合于加工生產(chǎn)，這就是制定生產(chǎn)工藝的科學(xué)依據(jù)。流動(dòng)曲線對(duì)溫度非常敏感的材料，如尼龍，控制一個(gè)合適的溫度對(duì)控制產(chǎn)品質(zhì)量非常重要。但是對(duì)溫度不敏感的高分子材料，只改變溫度對(duì)控制產(chǎn)品的質(zhì)量效果不大。

在溫度不變的條件下，測量流動(dòng)曲線隨剪切速率變化的關(guān)系，即可得到高分子材料的黏度隨剪切速率變化的關(guān)系。黏度不隨剪切速率變化的材料是牛頓流體；黏度隨剪切速率增加而下降(剪切變稀)是假塑性流體，聚合物熔體多數(shù)是剪切變稀的。還有一類是剪切變稠的。

通過得到流動(dòng)曲線，可以選擇適合于生產(chǎn)加工的剪切速率。生產(chǎn)中一般是通過改變電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)來改變聚合物熔體的剪切速率。剪切速率與生產(chǎn)方法關(guān)系很大，紡絲、注射、擠出、壓延剪切速率一半分別為104~105、103~104、101~102、10(1/s)，因此，要特別關(guān)注在生產(chǎn)范圍內(nèi)，剪切速率不同時(shí)的流動(dòng)特性。

2.為新材料的研制提供科學(xué)依據(jù)

一般通過研究新得配方、配比，或者在高分子材料里添加氧化劑、添加劑等來研制新材料。通過聚合物高壓毛細(xì)管流變儀來研究不同材料成分的配比和組成的流動(dòng)曲線數(shù)據(jù)，來測試其配方性能的好壞，如果性能不能滿足我們想要的結(jié)果，可以通過調(diào)整配比，添加添加劑等方法來對(duì)材料的性能進(jìn)行改性，對(duì)比改變前和改變后的流動(dòng)曲線，來決定添加的添加劑或者配比的不同對(duì)材料流動(dòng)性的影響。

同種材料的流動(dòng)曲線也可能不同，有的黏度隨剪切速率變化的很快，有的黏度隨剪切速率變化的較平緩。其主要原因可能是高分子材料分子量分布不同。測量高分子材料分子量分布的儀器主要有旋轉(zhuǎn)流變儀和凝膠色譜儀。在沒有這兩種儀器的情況下，可以通過聚合物高壓毛細(xì)管流變儀做出大體的推斷。一般來說，分子量分布范圍越寬的，黏度隨剪切速率變化越陡峭，分子量分布范圍越窄的，黏度隨剪切速率變化越平緩。

3.指導(dǎo)解決產(chǎn)品質(zhì)量糾紛

在產(chǎn)品出廠時(shí)，高分子原料廠家往往只提供產(chǎn)品的熔融指數(shù)指標(biāo)。用戶使用具有相同熔融指數(shù)不同批次的原料，在相同的生產(chǎn)與加工工藝條件下，制成的成品，有的批次合格有的批次不合格。用戶就會(huì)投訴原料供應(yīng)廠商。廠商可利用聚合物高壓毛細(xì)管流變儀提供的流變數(shù)據(jù)指導(dǎo)解決用戶投訴問題。

僅僅依據(jù)熔融指數(shù)來制定的加工工藝是不夠的。只有通過流變數(shù)據(jù)(黏度隨溫度的變化;黏度隨剪切速率的變化)才是制定加工工藝的科學(xué)依據(jù)。通過調(diào)整加工溫度和剪切速率解決量問題。

通過聚合物高壓毛細(xì)管流變儀提供的流變數(shù)據(jù)確實(shí)異常的(與合格原料相比)。證明該批產(chǎn)品的確存在質(zhì)量問題。如果僅僅是高分子材料的黏度值異常的，有可能是填充劑的不同的原因；如果是黏度隨剪切速率的變化過快或過慢的，有可能是材料的平均分子量以及分子量分布不同的原因。再結(jié)合其它分析手段，就可找出質(zhì)量問題的根本所在。

此外聚合物高壓毛細(xì)管流變儀還可以用于選擇材料的加工工藝條件、優(yōu)化加工配方，控制產(chǎn)品的質(zhì)量。并且通過聚合物高壓毛細(xì)管流變儀可以測試聚烯烴在不同溫度下的臨界剪切速率，或通過加入氟彈體、潤滑劑等改性聚烯烴提高臨界剪切速率，可為改善產(chǎn)品外觀質(zhì)量，提高其加工速度、增加產(chǎn)量提供依據(jù)。