流變儀的基本原理和具體應(yīng)用

1、流變儀的基本原理和具體應(yīng)用2三種主流流變儀1恒速型（測壓力）： eg.通常的高壓毛細(xì)管流變儀恒壓型（測流速）： eg.塑料工業(yè)常用的熔體指數(shù)測量儀重力型： eg.烏氏粘度計2根據(jù)夾具幾何構(gòu)造的不同分三類：錐-板型 同軸圓筒型eg.橡膠工業(yè)中常用的門尼粘度計3混煉機(jī)型流變儀： 一種組合式轉(zhuǎn)矩流變儀，帶有小型密煉機(jī)和小型螺桿擠出機(jī)及各種口模優(yōu)點：測量結(jié)果和實際加工過程相仿毛細(xì)管流變儀轉(zhuǎn)矩流變儀旋轉(zhuǎn)流變儀3關(guān)于流變儀的簡單介紹常見流變儀的剪切速率范圍及測黏范圍精確測量范圍取決于各自測量面積和樣品性質(zhì)壓縮型門尼粘度計的剪切速率范圍大于振蕩型4關(guān)于流變儀的簡單介紹5毛細(xì)管流變儀恒速型恒壓型柱塞前進(jìn)速率恒

2、定，作勻速運動柱塞前進(jìn)壓力恒定，作變速運動待測量為毛細(xì)管兩端的壓力差待測量為物料的擠出速度一般用來測量物料黏度及其它流變參數(shù)塑料工業(yè)中常使用熔體指數(shù)儀來測熔融指數(shù)兩類主流毛細(xì)管流變儀的主要區(qū)別6毛細(xì)管流變儀恒速型毛細(xì)管流變儀 的外形構(gòu)造核心部件長徑比：10/1、20/1、30/1、40/1等物料加熱成熔體 從料筒經(jīng)擠壓通過入口區(qū)進(jìn)入毛細(xì)管 從毛細(xì)管中擠出 測物料黏度及其它流變參數(shù) 柱塞的高壓作用物料從大截面流進(jìn)小截面此時流動狀況發(fā)生巨大改變，入口區(qū)附近物料由于受拉伸出現(xiàn)明顯地流線收斂現(xiàn)象，此現(xiàn)象對剛進(jìn)入毛細(xì)管的物料流動有很大影響。7毛細(xì)管流變儀恒壓型毛細(xì)管流變儀熔體指數(shù)儀的基本結(jié)構(gòu)與恒速型流變

3、儀類似不同之處：熔體指數(shù)測量儀中柱塞是變速運動 而后者是勻速運動8毛細(xì)管流變儀物料在毛細(xì)管中流動的三區(qū)域：入口區(qū)、完全發(fā)展區(qū)、出口區(qū)L: 毛細(xì)管總長p1 :柱塞桿對聚合物熔體施加的壓力p0 :大氣壓pe :出口處熔體壓力9毛細(xì)管流變儀完全發(fā)展區(qū)的流場分析1、Bagley 校正存在原因：物料經(jīng)歷強(qiáng)烈拉伸和剪切流動，貯存、消耗了部分能量牛頓流體：pent很小，忽略不計粘彈性流體：必須考慮因彈性形變導(dǎo)致的壓力損失牛頓流體：pexit 為零粘彈性流體： 若其彈性形變在經(jīng)毛細(xì)管后尚未完全恢復(fù)， 至出口處任存部分內(nèi)壓力，則導(dǎo)致pexit 10毛細(xì)管流變儀壓力梯度： 完全發(fā)展區(qū)管壁上的剪切應(yīng)力：e0為Bag

4、ley修正因子修正方法：11毛細(xì)管流變儀確定e0的實驗方法長徑比不同 同一體積流量橫向截距 LB /D = e0 /2實驗中：1、應(yīng)保持Q恒定，若Q變，相當(dāng)于剪切速率改變， e0 也隨之變化；2、由于pent主要因流體貯存彈性引起，故影響材料彈性的因素同樣會影響e0取值；3、當(dāng)長徑比小、剪切速率大、溫度低時，不可忽略入口校正；4、長徑比40時，pent所占比例小可不做入口校正。12毛細(xì)管流變儀2、Rabinowitsch 校正該公式為通式，推導(dǎo)時并未限制流體類型牛頓流體表達(dá)式 n與1的差異可描述偏離牛頓流體的程度；大多數(shù)高分子濃溶液和熔體n通常小于1；此處n并非冪律定律中的非牛頓指數(shù)；牛頓黏度

5、壁剪切應(yīng)力真實剪切速率13毛細(xì)管流變儀入口壓力降的典型應(yīng)用零長毛細(xì)管流變儀法測量PVC樣品在不同輥溫下素?zé)捄蟮哪z化程度14毛細(xì)管流變儀凝膠度：流率最小時流率最大時15毛細(xì)管流變儀出口區(qū)的流動行為1、擠出脹大現(xiàn)象產(chǎn)生原因A、B、影響因素A、高分子鏈結(jié)構(gòu)及物料配方對擠出脹大現(xiàn)象有明顯影響B(tài)、毛細(xì)管長徑比和料筒尺寸影響擠出脹大比 B = d/D16毛細(xì)管流變儀長徑比增大， B減小L/D較大時：B與長徑比幾乎無關(guān)；此時擠出脹大原因主要來自分子鏈取向產(chǎn)生的彈性形變，而入口區(qū)彈性形變影響已不明顯17毛細(xì)管流變儀BDR / D料筒內(nèi)徑 / 毛細(xì)管直徑18毛細(xì)管流變儀2、出口壓力降不為零19毛細(xì)管流變儀測試

6、方法20毛細(xì)管流變儀21毛細(xì)管流變儀基本應(yīng)用聚合物熔體剪切黏度的研究流動曲線的時溫疊加聚合物熔體彈性的研究由末端校正計算熔體彈性法向應(yīng)力差的計算擠出脹大比的研究22毛細(xì)管流變儀測黏數(shù)據(jù)處理23毛細(xì)管流變儀負(fù)荷與滑塞速度 平衡此處n不是冪律指數(shù)24毛細(xì)管流變儀計算出毛細(xì)管管壁處剪切速率管壁處黏度用毛細(xì)管流變儀所測得數(shù)據(jù)實為 管壁處流變數(shù)據(jù)25毛細(xì)管流變儀26旋轉(zhuǎn)流變儀基本結(jié)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)流變儀是現(xiàn)代流變儀中的重要組成部分，它們依靠旋轉(zhuǎn)運動來產(chǎn)生簡單剪切流動，可以用來快速確定材料的粘性、彈性等各方面的流變性能。 旋轉(zhuǎn)流變儀一般是通過一對夾具的相對運動來產(chǎn)生流動。引入流動的方法有兩種： 一種是驅(qū)動一個夾具

7、，測量產(chǎn)生的力矩，也稱為應(yīng)變控制型，即控制施加的應(yīng)變，測量產(chǎn)生的應(yīng)力； 另一種是施加一定的力矩，測量產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)速度，也稱為應(yīng)力控制型，即控制施加的應(yīng)力，測量產(chǎn)生的應(yīng)變。 一般商用應(yīng)力控制型流變儀的力矩范圍為107 到101 Nm，由此產(chǎn)生的可測量的剪切速率范圍為106 到103 s1，實際的測量范圍取決于夾具結(jié)構(gòu)、物理尺寸和所測試材料的粘度。 實際用于粘度及流變性能測量的幾何結(jié)構(gòu)有同軸圓筒、錐板和平行板等。 27旋轉(zhuǎn)流變儀椎板FRr10錐板結(jié)構(gòu)的示意圖在板間隙內(nèi)速度沿 方向的分布是線性的，可以表示為應(yīng)變速率張量的 分量為剪切速率在錐頂角很小的情況下，剪切速率是常數(shù)，并且相應(yīng)的流動為簡單剪切流動

8、。這個結(jié)果是從牛頓流體得出的，我們也假設(shè)對于粘彈性流體它也成立。因此，一般建議錐頂角應(yīng)該小于3。：施加于椎板的 旋轉(zhuǎn)角速度0：錐頂角28旋轉(zhuǎn)流變儀錐板結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：(i) 剪切速率恒定，在確定流變學(xué)性質(zhì)時不需要對流動動力學(xué)作任何假設(shè)。不需要流變學(xué)模型；(ii) 測試時僅需要很少量的樣品，這對于樣品稀少的情況顯得尤為重要，如生物流體和實驗室合成的少量聚合物；(iii) 體系可以有極好的傳熱和溫度控制；(iv) 末端效應(yīng)可以忽略，特別是在使用少量樣品，并且在低速旋轉(zhuǎn)的情況下。 29旋轉(zhuǎn)流變儀 對于多相體系，如固體懸浮液和聚合物共混物，如果其中分散粒子 的大小和板間距相差不大，就會引起很大的誤差。對于

9、多相體系的 最佳選擇是同軸的平行板夾具； 應(yīng)該避免用錐板結(jié)構(gòu)來進(jìn)行溫度掃描實驗，除非儀器本身有自動的 熱膨脹補償系統(tǒng)。 錐板結(jié)構(gòu)的缺點：體系只能局限在很小的剪切速率范圍內(nèi)，因為在高的旋轉(zhuǎn)速度下，由于慣性的作用，聚合物熔體不會留在錐板與平板之間。對于低粘度和有輕微彈性的流體，可以使用杯來代替平板，這樣可以得到大的剪切速率；30旋轉(zhuǎn)流變儀黏度的測量：因為剪切速率在間隙中是恒定的，因此粘度可以從扭矩求得。由于剪切應(yīng)力也是常數(shù)，扭矩可以表示為 非牛頓粘度： 31旋轉(zhuǎn)流變儀第一法向應(yīng)力差的測量：動力學(xué)方程的r 分量可以表示為：法向應(yīng)力表達(dá)式可以化簡為： 第一法向應(yīng)力差： 32旋轉(zhuǎn)流變儀平行板平行板間的距

10、離可以調(diào)節(jié)到很小。小的間距抑制了二次流動，減少了慣性校正，并通過更好的傳熱減少了熱效應(yīng)。綜合這些因素使得平行板結(jié)構(gòu)可以在更高的剪切速率下使用。(ii) 因為平行板上軸向力與第一法向應(yīng)力差和第二法向應(yīng)力差(分別為1 N 和2 N )的差成正比，而不是像在錐板中與第一法向應(yīng)力差成正比，因此可以結(jié)合平行板結(jié)構(gòu)與錐板結(jié)構(gòu)來測量流體的第二法向應(yīng)力差。(iii) 平行板結(jié)構(gòu)可以更方便地安裝光學(xué)設(shè)備和施加電磁場。(iv) 在一些研究中，剪切速率是一個重要的獨立變量。平行板中剪切速率沿徑向的分布可以使剪切速率的作用在同一個樣品中得到表現(xiàn)。(v) 對于填充體系，板間距可以根據(jù)填料的大小進(jìn)行調(diào)整。因此平行板更適用

11、于測量聚合物共混物和多相聚合物體系(復(fù)合物和共混物)的流變性能。(vi) 平的表面比錐面更容易進(jìn)行精度檢查。(vii) 通過改變間距和半徑，可以系統(tǒng)的研究表面和末端效應(yīng)。(viii) 平行板的表面更容易清洗。平行板結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：33旋轉(zhuǎn)流變儀流體zrRh 平行板結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)條件下的速度分布為 剪切速率可以表示為 34旋轉(zhuǎn)流變儀對于非牛頓流體，因為剪切速率隨徑向位置而變化，粘度不再與扭矩成正比。因此需要進(jìn)行Robinowitsh 型的推導(dǎo)。 扭矩：對求導(dǎo)，并利用Leibnitz 法則，可以得到最終的粘度表示黏度的測量：35旋轉(zhuǎn)流變儀動力學(xué)方程的r 分量可以表示為第一法向應(yīng)力差可以通過近似結(jié)果計算 第一

12、法向應(yīng)力差的測量：36旋轉(zhuǎn)流變儀因為錐板結(jié)構(gòu)可以測得第一法向應(yīng)力差，而平行板結(jié)構(gòu)可以測得第一法向應(yīng)力差和第二法向應(yīng)力差的差，因此從原理上講，可以分別利用錐板和平行板結(jié)構(gòu)分別測量的結(jié)果來計算第一法向應(yīng)力差和第二法向應(yīng)力差。1、從錐板的測量結(jié)果可得第一法向應(yīng)力差： 2、從平行板的測量結(jié)果可以得到法向應(yīng)力差： 第二法向應(yīng)力差的測量：37旋轉(zhuǎn)流變儀同軸圓筒LKRR 同軸圓筒流變儀的示意圖KRRV同軸圓筒間的流動WKR內(nèi)筒靜止1、基本結(jié)構(gòu)38旋轉(zhuǎn)流變儀內(nèi)筒壁上的剪切速率和外筒壁上的剪切速率確定的粘度 施加于外圓筒上的扭矩 2、黏度的測量39旋轉(zhuǎn)流變儀假設(shè)應(yīng)力張量可以寫作 動量方程在r 方向上可以簡化為積

13、分并簡化得 3、第一法向應(yīng)力差的測量40旋轉(zhuǎn)流變儀測量系統(tǒng)的選擇41旋轉(zhuǎn)流變儀42旋轉(zhuǎn)流變儀1、穩(wěn)態(tài)模式HDPE的穩(wěn)態(tài)剪切粘度 測量模式的選擇43旋轉(zhuǎn)流變儀 a、穩(wěn)態(tài)速率掃描 穩(wěn)態(tài)速率掃描可以得到材料的粘度和法向應(yīng)力差與剪切速率的關(guān)系。對于靈敏度很高的流變儀，可以測量到極低剪切速率下的響應(yīng)，也就可以得到零剪切粘度。 b、觸變循環(huán) 觸變循環(huán)對材料施加線性增大或減小的穩(wěn)態(tài)剪切速率，可以反映材料在不斷變化的剪切速率下的粘度變化，因此也就可以反映出材料結(jié)構(gòu)隨剪切速率變化的規(guī)律。 44旋轉(zhuǎn)流變儀2、瞬態(tài)模式a、階躍應(yīng)變速率掃描階躍應(yīng)變速率測試可以用來確定：恒定溫度下的應(yīng)力增長和松弛過程；穩(wěn)態(tài)剪切后的松弛

14、過程。 45旋轉(zhuǎn)流變儀b、應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛施加并維持一個瞬態(tài)形變(階躍應(yīng)變)，測量維持這個應(yīng)變所需的應(yīng)力隨時間的變化。 施加階躍應(yīng)變后的應(yīng)力松弛過程46旋轉(zhuǎn)流變儀c、蠕變?nèi)渥儗嶒炚门c應(yīng)力松弛相反，它給樣品施加恒定的應(yīng)力，測量樣品的應(yīng)變隨時間的變化。 對分子量分布，特別是高分子量的部分，很敏感。它也提供了關(guān)于末端松弛時間的重要信息，可以看成是存儲能量的一種表示，因此它對擠出和模壓過程很重要。蠕變恢復(fù)可恢復(fù)應(yīng)變0=應(yīng)力/斜率Je0=可恢復(fù)應(yīng)變/應(yīng)力時 間應(yīng)變?nèi)渥?恢復(fù)曲線蠕變實驗也可以用來測量材料的粘度，只要將施加的應(yīng)力除以剪切速率。優(yōu)點：可以得到比動態(tài)或穩(wěn)態(tài)方法更低的剪切速率。這就可以方便地測

15、量熔體的零剪切粘度。 47旋轉(zhuǎn)流變儀2、動態(tài)模式聚二甲基硅氧烷(PDMS)的應(yīng)變掃描曲線a、應(yīng)變(應(yīng)力) 掃描48旋轉(zhuǎn)流變儀應(yīng)變掃描是給樣品以恒定的頻率施加一個范圍的正弦形變(應(yīng)變)。一般來講，粘彈性材料的流變性質(zhì)在應(yīng)變小于某個臨界值時與應(yīng)變無關(guān)，表現(xiàn)為線性粘彈性行為；當(dāng)應(yīng)變超過臨界應(yīng)變時，材料表現(xiàn)出非線性行為，并且模量開始下降。因此材料儲能模量和損耗模量的應(yīng)變幅度的依賴性往往是表征粘彈行為的第一步：應(yīng)變掃描確定了材料線性行為的范圍。動態(tài)應(yīng)變掃描可用來：確定線性粘彈性的范圍；對非線性行為明顯的材料，如填充的熱塑性材料和熱塑性聚合物共混物，進(jìn)行表征，往往填料的存在降低了臨界應(yīng)變的值。應(yīng)變掃描應(yīng)在

16、不同的頻率下進(jìn)行，因為臨界應(yīng)變具有一定的頻率依賴性。49旋轉(zhuǎn)流變儀不同ABS樣品的時間掃描曲線動態(tài)時間掃描在恒定溫度下，給樣品施加恒定頻率的正弦形變，并在用戶選擇的時間范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)測量。動態(tài)時間掃描可以用來監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的破壞和重建，即研究測量的化學(xué)、熱以及力學(xué)穩(wěn)定性。穩(wěn)定性好的樣品可以在很長時間內(nèi)保持性質(zhì)的恒定，而穩(wěn)定性差的樣品的性質(zhì)就有可能隨著時間發(fā)生變化。 b、動態(tài)時間掃描50旋轉(zhuǎn)流變儀c、動態(tài)頻率掃描 一種窄分子量分布的聚苯乙烯(170,000MW)的動態(tài)頻率掃描曲線 動態(tài)頻率掃描模式是以一定的應(yīng)變幅度和溫度，施加不同頻率的正弦形變，在每個頻率下進(jìn)行一次測試。 在頻率掃描中，需要確定的

17、參數(shù)是：應(yīng)變幅度或應(yīng)力幅度，頻率掃描方式(對數(shù)掃描，線性掃描和離散掃描)和實驗溫度。 從頻率掃描可以得到的信息包括：與分子量密切相關(guān)的粘度數(shù)據(jù)；從分子量數(shù)據(jù)和分子量分布，可以檢測到長支鏈的含量；零剪切粘度可以從損耗模量求得，平衡可恢復(fù)柔量可從儲能模量求得，亦可求得平均松弛時間。51旋轉(zhuǎn)流變儀d、其它掃描模式 等變率溫度掃描 動態(tài)單點測試 瞬態(tài)單點 復(fù)合波單點測試 復(fù)合波等變率溫度掃描 任意波形掃描52旋轉(zhuǎn)流變儀流變儀測量流變參數(shù)流變性能加工工藝優(yōu)化成型設(shè)備優(yōu)化流變動力學(xué)結(jié)構(gòu)流變學(xué)本征參數(shù)界面性質(zhì)建立結(jié)構(gòu)的變化與其粘彈響應(yīng)之間的關(guān)系具體應(yīng)用53轉(zhuǎn)矩流變儀基本結(jié)構(gòu)54轉(zhuǎn)矩流變儀1、兩個轉(zhuǎn)子相向旋轉(zhuǎn)

18、，使物料被強(qiáng)制混合； 存在速比，其間隙發(fā)生分散性混合轉(zhuǎn)子是轉(zhuǎn)矩流變儀中對物料進(jìn)行混合、混煉的核心部件2、轉(zhuǎn)子的類型：轉(zhuǎn)子不同適用的材料和剪切范圍不同55轉(zhuǎn)矩流變儀基本原理高分子材料在密煉時轉(zhuǎn)矩隨時間的變化曲線1、扭矩譜56轉(zhuǎn)矩流變儀1、采用混合器測試時，高聚物以粒子或粉末的形式自加料口加入到混煉室中，物料受到上頂栓的壓力，并且通過轉(zhuǎn)子表面與混合室壁之間的剪切、攪拌、擠壓，轉(zhuǎn)子之間的捏合、撕扯，轉(zhuǎn)子軸向翻搗、捏煉等作用，實現(xiàn)物料的塑化、混煉，直至達(dá)到均勻狀態(tài)。2、高聚物被加入到混煉室中時，自由旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子受到來自固體粒子或粉末的阻力，轉(zhuǎn)矩急劇上升；當(dāng)此阻力被克服后，轉(zhuǎn)矩開始下降并在較短的時間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)；當(dāng)粒子表面開始熔融并發(fā)生聚集時，轉(zhuǎn)矩再次升高；在熱的作用下，粒子的內(nèi)核慢慢熔融，轉(zhuǎn)矩隨之下降；當(dāng)粒子完全熔融后，物料成為易于流動的宏觀連續(xù)的流體，轉(zhuǎn)矩再次達(dá)到穩(wěn)態(tài)；經(jīng)過一定時間后，在熱和力的作用下，隨著交聯(lián)或降解的發(fā)生，轉(zhuǎn)矩會有較大幅度的升高或降低。3、在實際加工過程中，第一次轉(zhuǎn)矩最大值所對應(yīng)的時間非常短，很少能夠觀察得到。轉(zhuǎn)矩第二次達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時間通常為315min，這依賴于所采用的材料和加工條件(溫度和轉(zhuǎn)速)。 57轉(zhuǎn)矩流變儀 由于混合器的轉(zhuǎn)子形狀復(fù)雜，兩轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也不同，因此混合器室內(nèi)不同空間位置的物料單元所受的剪切