一、實驗?zāi)康?

1     了解轉(zhuǎn)矩流變儀的結(jié)構(gòu)與測定聚合物流變性能的原理。

2     熟悉并掌握轉(zhuǎn)矩流變儀測定聚合物流變性能的方法。

二、實驗原理

高分子材料的成形加工過程，幾乎都是在聚合物的熔融狀態(tài)下進行的。因此，研究其流動行為具有非常重要的意義。聚合物流變學(xué)的主要研究對象是認(rèn)識應(yīng)力作用下高分子材料產(chǎn)生流動和形變的行為以及這些行為與各種因素(聚合物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、溫度、力的大小和作用方式、作用時間以及聚合物體系的組成等)之間的相互關(guān)系。由于流動與形變是聚合物加工過程中最基本的工藝特征，所以流變學(xué)研究對聚合物的加工有非常重要的現(xiàn)實意義。

聚合物在加工過程中的形變是由于外力作用的結(jié)果，隨受力方式的不同通常有三種類型的應(yīng)力：剪切應(yīng)力(τ)、拉伸應(yīng)力(σ)和流體靜壓力(p)。在這三種應(yīng)力體系中，通常以剪切應(yīng)力τ在聚合物加工中重要，因為它決定了擠塑模頭內(nèi)和注塑中注口、流道和模槽內(nèi)的壓降的大小，從而決定了功率的消耗和有關(guān)加工設(shè)備的效率。聚合物加工時受到剪切力作用產(chǎn)生的流動為剪切流動。例如聚合物在擠出機、口模、注塑機、噴嘴和流道以及紡絲噴絲板的毛細(xì)孔道中的流動等主要是剪切流動。聚合物在加工過程中受到拉應(yīng)力作用引起的流動為拉伸流動。例如初生纖維離開噴絲板時和吹塑法或拉幅法生產(chǎn)薄膜時都有這種流動。實際加工過程中往往是幾種應(yīng)力的組合，但此時剪切應(yīng)力的作用更為重要，因為剪切流動是聚合物流體在大多數(shù)加工中的主要形式。

聚合物的流變行為十分復(fù)雜，如聚合物熔體非牛頓性明顯，不僅具有粘彈性，而且還有熱效應(yīng)，所以很難準(zhǔn)確測定聚合物熔體的流變行為。聚合物流變學(xué)目前還是一門半經(jīng)驗的物理學(xué)科，理論尚不完善，但流變學(xué)的概念已經(jīng)成為聚合物成型加工理論的重要組成部分，它對材料的選擇和使用、加工時工藝條件的確定、加工設(shè)備和成型模具的設(shè)計及提高產(chǎn)品的質(zhì)量等都有重要的指導(dǎo)作用。

測定聚合物熔體流變行為的儀器稱為流變儀，性能按儀器施力方式不同有許多種，如落球式、轉(zhuǎn)動式(同軸圓筒和錐板)和毛細(xì)管擠出式等，這些儀器是流變儀，適用不同粘性流體在不同剪切速率范圍內(nèi)的測定。在測定和研究聚合物材料熔體流變性能的各種儀器中，還有一類相對流變儀，如轉(zhuǎn)矩流變儀等。它們是用來生產(chǎn)大型混合器的微縮復(fù)制品，模擬真實過程的條件，用于測定塑性材料在混合、擠出過程中流變特性的功能性試驗設(shè)備。這種流變儀的設(shè)計目標(biāo)是造成高湍流、高剪切的效果，以便使聚合物熔體或橡膠混合物的多組分得以良好的混合。在此條件下，被高度剪切的物料產(chǎn)生非線性的粘彈性響應(yīng)，由物料粘度產(chǎn)生的阻力表現(xiàn)在作用于轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩。通過測定、記錄不同材料在不同條件下加工過程中的轉(zhuǎn)矩值、物料溫度以及熔體壓力等參數(shù)，來確定物料在熔融狀態(tài)的粘度(轉(zhuǎn)矩值)、熔融中能量的消耗、熔融特性、熱穩(wěn)定時間以及分解特性等一系列參數(shù)。通常記錄轉(zhuǎn)矩隨溫度、時間的變化圖，稱為“流變圖”。

物料被加到混煉室中，受到轉(zhuǎn)速不同、轉(zhuǎn)速相反的兩個轉(zhuǎn)子所施加的作用力，使物料在轉(zhuǎn)子與室壁間進行混煉剪切，物料對轉(zhuǎn)子凸棱施加反作用力，這個力由測力傳感器測量，再經(jīng)過機械分級的杠桿力臂轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)矩值。其轉(zhuǎn)矩值的大小反映了物料粘度的大小。通過熱電偶對混煉室的溫度進行控制，可以得到不同溫度下物料的轉(zhuǎn)矩。以轉(zhuǎn)矩對時間作圖得到轉(zhuǎn)矩流變曲線，如圖1-1所示。各段的意義為：OA：在給定溫度和轉(zhuǎn)速下，物料開始粘連，轉(zhuǎn)矩上升到A點；AB：受轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)作用，物料很快被壓實(趕氣)，轉(zhuǎn)矩下降到B點(有的樣品沒有AB段)；BC：物料在熱和剪切力的作用下開始塑化(軟化或熔融)，物料即由粘連轉(zhuǎn)向塑化，轉(zhuǎn)矩上升至C點；CD：物料在混合器中塑化，逐漸均勻，達(dá)到平衡，轉(zhuǎn)矩下降到D；DE：維持恒定轉(zhuǎn)矩，物料平衡階段；E之后：繼續(xù)延長塑化時間，將導(dǎo)致物料發(fā)生分解、交聯(lián)、固化，使轉(zhuǎn)矩上升或下降?！?

t0物料受上頂栓壓實時間t1: 物料受熱壓實時間；t2: 塑化時間（熔融軟化）；t3: 達(dá)到平衡時間（物料動態(tài)穩(wěn)定）；t4: 物料分解/交聯(lián)時間；M1: 最小轉(zhuǎn)矩；M2: 轉(zhuǎn)矩；M3: 平衡轉(zhuǎn)矩

從圖1-1還可看出，處于室溫的、顆粒形狀和粒度不同的物料加入塑化室后，被壓縮于轉(zhuǎn)子四周，而混煉器需要經(jīng)過一段時間才能使物料熔化，這將造成轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動困難，需要一個較大的轉(zhuǎn)矩才能使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來，開始塑化過程，從而出現(xiàn)一個加料峰。經(jīng)過一段時間后，物料的溫度受傳熱和剪切的作用也趨于平衡。平衡轉(zhuǎn)矩反映了加工條件下物料表觀粘度的大小，間接反映了物料的流動性能。該值越低，表明流動性越好。物料在混合器中受到剪切和塑化，其工作能量的高低是材料加工性能的直接反映，可以用材料轉(zhuǎn)矩流變特性曲線下的積分面積表征整個加工過程的能耗。

由轉(zhuǎn)矩流變儀獲得的信息有：

（1）判斷可加工性。由于轉(zhuǎn)矩值的大小直接反映了物料的粘度和消耗的功率，由此可以看出此配方是否具有加工的可能性。若轉(zhuǎn)矩太大，則在加工中需要消耗許多電力，或在更高溫度下，才能降低轉(zhuǎn)矩，也需耗電，成本提高，這時應(yīng)考慮改變配比，下調(diào)轉(zhuǎn)矩。

（2）加工時間。熱塑性材料：要求t4不能太短，否則還未成型就已分解、交聯(lián)。熱固性材料：若t4太長，效率太低，需很長時間才能固化脫模，周期長；若t4太短，物料很快就固化在螺桿或模具中。

（3）加工溫度。可以測定不同溫度下的轉(zhuǎn)矩流變曲線，得到M-T關(guān)系曲線。

（4）材料的穩(wěn)定性。研究分解時間的長短。

（5）可將轉(zhuǎn)矩?fù)Q算成剪切應(yīng)力、剪切速率或粘度，得到流變曲線。

三、   實驗器材

1.  XSS-300轉(zhuǎn)矩流變儀。

2. 橡塑材料混合器。

3. 低密度聚乙烯。

四、   實驗步驟

高分子材料的流變性能除受聚合物結(jié)構(gòu)及混合物的組成影響外，采用混合器測量流變性質(zhì)時的實驗條件，如加料量、溫度和轉(zhuǎn)速，也是十分重要的影響因素。

1. 加料量

測量時，物料自混合器上部的加料口加入，受上頂栓對物料的壓力，并且通過轉(zhuǎn)子外表面與混合室壁間的剪切、攪拌、擠壓；轉(zhuǎn)子間的捏合、撕拉；轉(zhuǎn)子軸向間翻搗、捏煉等作用，以連續(xù)變化的速度梯度和轉(zhuǎn)子對物料產(chǎn)生軸向力的形式，實現(xiàn)物料的混煉、塑化。顯然混合室內(nèi)的物料量不足，轉(zhuǎn)子難以接觸物料，達(dá)不到混煉塑化的效果。反之．物料加入過多，部分物料集中于加料口不能進入混合室混煉均勻或出現(xiàn)超額的阻力轉(zhuǎn)矩，使儀器安全裝置發(fā)生作用，停止運轉(zhuǎn)。實驗過程中，去除上頂栓對物料的施壓作用，儀器轉(zhuǎn)矩變化不突出，說明加料量基本合適。加料量由混合室空腔容積、物料密度來確定。此外，為保證測試的準(zhǔn)確性與重復(fù)性，原料的粒度和材質(zhì)也應(yīng)均勻。

2. 測試溫度

混合器溫度一般取物料的熔融溫度或成型溫度。如果選擇的溫度過低會導(dǎo)致超額轉(zhuǎn)矩使安全裝置發(fā)生作用，儀器停轉(zhuǎn)。溫度過高時，聚合物的鏈段活動能力增加、體積膨脹。分子間作用減小，流動性增大，粘度隨溫度升高而降低。物料在混煉塑化過程中的微小變化不易顯示出來，由此影響測試準(zhǔn)確性。對于PS、PVC、PC等聚合物，因為流動活化能大，熔體粘度對溫度十分敏感，升高溫度可大大降低熔體的粘度，因而要注意溫度的控制和調(diào)節(jié)，所以除了控溫要求穩(wěn)定外，還要對混煉室進行必要的空氣冷卻，防止物料與轉(zhuǎn)子室壁摩擦升溫造成過熱現(xiàn)象，影響測試結(jié)果。

3. 轉(zhuǎn)速

混煉室中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的確定一般以加工所需要的條件而定。同時按照物料粘滯阻力的大小、測試溫度的高低、儀器靈敏度的大小等條件再進行適當(dāng)調(diào)整。其最終目的是使測試結(jié)果數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、清晰、重復(fù)性好。

 

 

 

4. 加料速度

物料加入混煉室時，應(yīng)使用斜槽柱塞加料器，在盡可能短的時間內(nèi)把物料壓人混煉室內(nèi)。其原因是如果物料進入時間長短不同，物料各部分受熱、受剪切的時間就不同，造成結(jié)果波動，重復(fù)性差。

5. 操作步驟

（1）了解轉(zhuǎn)矩流變儀的工作原理、技術(shù)規(guī)格和安裝、使用、清理的有關(guān)規(guī)定。

（2）根據(jù)實驗要求設(shè)定溫度。打開加熱開關(guān)，升溫至設(shè)定溫度后，再恒溫30分鐘。

（3）開動主機并開始記錄，物料由加料器投入混合室，放下壓料桿壓實物料，開始記錄，到預(yù)定實驗時間停止記錄。

按下式計算加料量，并用天平準(zhǔn)確稱量：

W=Vρα0                                           （6-1）

式中，W為加料量，g；V為混合器容積，cm3；ρ為原材料的固體或熔體密度，g/cm3；α0為加料系數(shù)，按固體或熔體密度計算分別為0.65、0.80。

（4）拆卸、清理干凈混合器，為再次實驗作好準(zhǔn)備。

五、數(shù)據(jù)處理

1. 寫出轉(zhuǎn)矩流變儀測試聚合物流變性的原理及測試時的各項實驗條件。(已知條件,溫度、重量、轉(zhuǎn)速、材料)

2. 以實驗所得數(shù)據(jù)、圖形，討論在聚合物結(jié)構(gòu)研究、材料配方選擇、成型工藝條件控制、成型機械及模具設(shè)計等方面的應(yīng)用。