聚合物毛細管流變儀

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     聚合物流變學是研究高分子材料流動和形變的科學，對高分子材料加工性能的評價主要是流變行為的測試。與測定聚合物流變行為的其他儀器相比，毛細管流變儀具有結構簡單、溫度調節范圍較寬、用料少、測量時間短、剪切速率較寬等優點，已被廣泛用于聚合物的加工測試與研究。 
  　　本文以聚丙烯為研究對象，用毛細管流變儀測量其流變行為，得到一系列剪切速率、粘度、不穩定流動等比較接近加工過程的流變曲線和數據，并說明了毛細管流變儀在高分子材料流變性能、配方的篩選優化以及產品質量控制方面的應用。由于毛細管流變儀使用較少樣品進行配方設計，既能測試分析，又省時經濟，已在塑料加工性能研究、配方設計等方面起到了重要應用。 
  　　1毛細管流變儀的系統組成 
  　　毛細管流變儀是一種基于塑化分析研究的材料流變性能測試設備，其突出的特點是可以在接近真實加工條件下，對材料的流變行為進行研究。毛細管流變儀主要由驅動系統、控溫系統、軟件系統和各種附件組成。 
  　　1.1驅動系統 
  　　毛細管流變儀的驅動系統主要為各功能單元提供動力和控制功能，其腔體是一個圓柱形的塑化器，是流變儀的重要組成部分。在高分子材料的加工過程中，通常根據試驗材料對剪切強度的要求，選擇不同的口模。通過記錄物料在測試過程中的溫度、表觀切應力、粘度隨剪切速率的變化，可研究材料在加工過程中的分散性能、流動行為及熱穩定性等，并得到流變曲線，客觀呈現材料的加工塑化過程。 
  　　1.2控溫系統 
  　　毛細管流變儀的控溫系統主要通過傳感器測量腔體的溫度值，并將其轉換為信號，再輸入溫度顯示調節儀表，與設定的信號相比較，經過運算后改變執行器輸出操作變量，從而改變加熱腔體的熱量，達到控制溫度的目的。當腔體內的溫度大于限定區間時，控溫系統自行下調溫度，當腔體內的溫度小于此區間時，控溫系統自行上調溫度，以保障系統硬件設備和傳感器連接正常。 
  　　1.3軟件系統 
  　　毛細管流變儀的軟件系統，主要采用自動校準和實驗測試兩大模塊。其中，自動校準模塊測量采用集成式的模塊化設計，可實現傳感器的自動校正、口模自動識別等功能，便于操作和理解；實驗測試模塊主要按照程序進行實驗條件的設置，實現測量參數、曲線和表格同步顯示的功能。另外，可以通過自動分析剪切速率與粘度曲線上的特定點，讀取相應的實驗數據。 
  　　2毛細管流變儀的應用分析 
  　　2.1工作曲線 
  　　毛細管流變儀的工作原理是物料在溫度、壓力等因素的作用下，由粒狀（或粉狀）變成熔體的塑化過程，測試物料由玻璃態向粘流態轉變的動態流變現象。在實驗過程中，先設定好毛細管流變儀的操作參數，按照測試條件稱取適量物料，待溫度達到設定條件后，安裝合適的口模、壓力傳感器，待溫度穩定之后，加入物料開始測試，通過實驗可獲得物料在某一溫度下，粘度和表觀切應力隨剪切速率的變化曲線。同時，計算機屏幕上會動態顯示物料的溫度、表觀剪切速率、表觀切應力和表觀粘度動態流變曲線。 
  　　　2.2表觀粘度與剪切速率的關系 
  　　毛細管流變儀測定在某一特定溫度下的粘度值，若表觀粘度隨剪切速率的變化不變，則被測定為牛頓流體；若粘度隨剪切速率的變化而變化，說明這種流體是一種典型的非牛頓流體。一般情況下，在溫度和壓力一定的前提下，大多數材料熔體的粘度是隨著剪切速率的增加而下降的，但是不同的材料對剪切速率（切應力）的敏感程度是不一樣，但在剪切速率很低和很高的情況下，表觀粘度幾乎不隨剪切速率變化而變化。 
  　不同材料所對應的非牛頓流變曲線。當溫度恒定的情況下，表觀粘度隨剪切速率的增加而急劇減小，但是當剪切速率達到1000s-1左右時，表觀粘度的變化趨勢變緩，說明在一定的剪切速率范圍內，提高剪切速率會顯著降低材料的粘度，改善其流動性能。然而，在相同的測試條件下，實驗發現：聚丙烯（PP）較聚乳酸（PLA）對剪切速率具有較強的敏感性。 
  　　2.3表觀粘度與溫度之間的關系 
  　　表觀粘度是剪切速率或溫度的函數。所以，只有剪切速率恒定時，研究溫度對粘度的影響才有實際意義。一般來說，溫度升高，必然使得分子間的運動加快，從而使得分子鏈之間的纏繞降低，分子之間的距離增大，從而導致粘度降低，而溫度太低，熔體粘度大，流動困難，成型性差，并且彈性大，也會影響制品的穩定性。 
  　　不同溫度所對應的表觀粘度與剪切速率之間的關系。隨著溫度的升高，PP的表觀粘度呈指數方式下降，也表明溫度的敏感性要比剪切作用的敏感強。根據分子運動理論，當溫度較高時，分子運動較快，形狀復雜的分子鏈由卷曲運動趨于形成線團狀態，表觀粘度隨之下降；當溫度較低時，分子排列、分子之間的制約較強，表觀粘度變化趨勢較小。當溫度達到一定程度時，其對物料的粘度影響削弱，主要與物料本身的性能有關，但是不同的材料粘度對于溫度的影響程度不同。另外，從材料工藝學的角度出發，高溫有利于材料成型，但制品收縮率大，還會引起分解，影響產品質量，因此，對于溫度非常敏感的材料，溫控十分重要，否則粘度變化較大，使操作不穩定。 　　

  2.4表觀粘度與粘流活化能 
  　　依據Arrhenius方程，實驗選取了低剪切速率范圍所對應的表觀粘度及實驗溫度。以PP為例，實驗選定了170℃，180℃，190℃三個溫度范圍所對應的剪切速率下的表觀粘度值，將固定剪切速率下的 a和對應溫度T進行擬合，從而求得斜率，進而計算得到該剪切速率下的粘流活化能E 。 
  　　不同剪切速率所對應的粘流活化能。從表中可以看出，在實驗溫度范圍內，粘流活化能隨著剪切速率的增加而下降。這是因為外部剪切應力破壞了大分子之間纏結作用，使得鏈段活動范圍變大，分子間距離增大，分子間的作用力削弱，致使分子鏈內旋轉位壘較低，分子克服周圍分子的作用發生遷移所需的能量較少，表現為粘流活化能小。 
  　　結合溫度對于粘度的影響可以發現，在材料的正常加工范圍內，提高剪切速率對粘度的影響和提高溫度對于粘度的影響效果相似，但是從工藝的角度出發，單純通過增加溫度或提高剪切速率來提高材料的流動性能是不恰當的。因為過高的剪切速率不僅不能明顯地改善流體的流動性，還可能會造成過多的功率損耗和過大的設備磨損，還會引起溢料和增加制品內應力等弊病，而溫度過高，卻會出現制品變形等缺陷，導致制品性能下降，影響使用。 
  　　3結語 
  　　隨著對材料學研究的逐步深入，毛細管流變儀在聚合物材料及制品的科研和生產領域中的應用將越來越深入，提供了更接近于實際加工條件的流變性能。