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(jié)構(gòu)簡單、溫度調(diào)節(jié)范圍較寬、用料少、測量時間短、剪切速率較寬等優(yōu)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(wěn)定流動等比較接近加工過程的流變曲線和數(shù)據(jù)，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(yōu)化以及產(chǎn)品質(zhì)量控制方面的應(yīng)用。由于毛細管流變儀使用較少樣品進行配方設(shè)計，既能測試分析，又省時經(jīng)濟，已在塑料加工性能研究、配方設(shè)計等方面起到了重要應(yīng)用。 
  　　1毛細管流變儀的系統(tǒng)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(shè)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(qū)動系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和各種附件組成。 
  　　1.1驅(qū)動系統(tǒng) 
  　　毛細管流變儀的驅(qū)動系統(tǒng)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(jù)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(yīng)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(wěn)定性等，并得到流變曲線，客觀呈現(xiàn)材料的加工塑化過程。 
  　　1.2控溫系統(tǒng) 
  　　毛細管流變儀的控溫系統(tǒng)主要通過傳感器測量腔體的溫度值，并將其轉(zhuǎn)換為信號，再輸入溫度顯示調(diào)節(jié)儀表，與設(shè)定的信號相比較，經(jīng)過運算后改變執(zhí)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(nèi)的溫度大于限定區(qū)間時，控溫系統(tǒng)自行下調(diào)溫度，當腔體內(nèi)的溫度小于此區(qū)間時，控溫系統(tǒng)自行上調(diào)溫度，以保障系統(tǒng)硬件設(shè)備和傳感器連接正常。 
  　　1.3軟件系統(tǒng) 
  　　毛細管流變儀的軟件系統(tǒng)，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(shè)計，可實現(xiàn)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(shè)置，實現(xiàn)測量參數(shù)、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(yīng)的實驗數(shù)據(jù)。 
  　　2毛細管流變儀的應(yīng)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(tài)向粘流態(tài)轉(zhuǎn)變的動態(tài)流變現(xiàn)象。在實驗過程中，先設(shè)定好毛細管流變儀的操作參數(shù)，按照測試條件稱取適量物料，待溫度達到設(shè)定條件后，安裝合適的口模、壓力傳感器，待溫度穩(wěn)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(yīng)力隨剪切速率的變化曲線。同時，計算機屏幕上會動態(tài)顯示物料的溫度、表觀剪切速率、表觀切應(yīng)力和表觀粘度動態(tài)流變曲線。 
  　　　2.2表觀粘度與剪切速率的關(guān)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(shù)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(yīng)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(yīng)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(nèi)，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(fā)現(xiàn)：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(guān)系 
  　　表觀粘度是剪切速率或溫度的函數(shù)。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(wěn)定性。 
  　　不同溫度所對應(yīng)的表觀粘度與剪切速率之間的關(guān)系。隨著溫度的升高，PP的表觀粘度呈指數(shù)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(jù)分子運動理論，當溫度較高時，分子運動較快，形狀復(fù)雜的分子鏈由卷曲運動趨于形成線團狀態(tài)，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(guān)，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(fā)，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(chǎn)品質(zhì)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(wěn)定。 　　

  2.4表觀粘度與粘流活化能 
  　　依據(jù)Arrhenius方程，實驗選取了低剪切速率范圍所對應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)的粘流活化能。從表中可以看出，在實驗溫度范圍內(nèi)，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(yīng)力破壞了大分子之間纏結(jié)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(nèi)旋轉(zhuǎn)位壘較低，分子克服周圍分子的作用發(fā)生遷移所需的能量較少，表現(xiàn)為粘流活化能小。 
  　　結(jié)合溫度對于粘度的影響可以發(fā)現(xiàn)，在材料的正常加工范圍內(nèi)，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(fā)，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?shù)?。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(shè)備磨損，還會引起溢料和增加制品內(nèi)應(yīng)力等弊病，而溫度過高，卻會出現(xiàn)制品變形等缺陷，導致制品性能下降，影響使用。 
  　　3結(jié)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(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)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。