高分子材料熔体的拉伸粘度测量方法

研究生课程论文(2010-2011学年第二学期)

高分子材料性能测试与表征

研究生：周婷

高分子材料熔体的拉伸粘度测量方法

周婷

（华南理工大学聚合物成型加工工程教育部重点实验室聚合物新型成型装备国家工程研究中心，广东广

州510640）

摘要：材料的拉伸流变性能对加工工艺过程和制品的最终性能都会产生重要影响。为此，本文介绍了近年来应用较广的几种聚合物流体拉伸流变测量技术：拉伸蠕变技术，Meissner拉伸流变技术（RME）、改进旋转流变技术（MRR）、纤维撕扯流变技术（FSR）、Sentmanat拉伸流变技术（SER），虚拟仪器技术。分析和总结了它们的结构原理、发展趋势和应用中存在的问题。

关键词：高分子材料；拉伸粘度；拉伸流变测量

The measuring method of melt’s extensional viscosity for

polymer fluid

Zhou Ting

(The Key Laboratory of Polymer Processing Engineering of Ministry of Education,

National Engineering Research Center of Novel Equipment for Polymer Processing,

South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Abstract:The extensional rheology property of polymer play an important role in the processing technological process and the ultimate performance. So, several measuring techniques of extensional rheological parameters for polymer fluids that are mostly used in recent years, which include Tensile creep technology, Meissner-type rheometer(RME), modified rotational rheometer(MRR), filament stretching rheometer(FSR), Sentmanat extensional rheometer (SER), and virtual instrument technology are introduced. Their structure principles, development trends and problems within applications are analyzed and summarized.

Keywords: polymer fluid; extensional viscosity; extensional rheology measurements

近年来，聚合物流体拉伸流变测量技术渐渐成为聚合物加工领域研究的焦点。这是因为在纺丝、发泡、吹膜、吹塑、注塑及挤出等许多聚合物加工过程中，拉伸流体的拉伸粘度、应变硬化、弹性及稳定性等因素都会对产品的最终性能产生重要影响[1-5]。

相对于剪切流变参数而言，测量拉伸流变参数难度要大很多，一方面是因为难以得到维持稳定的拉伸流动状态；另一方面，对于很多实际的聚合物加工过程，最重要的参数并非流体的稳态拉伸粘度，而是它的瞬态拉伸粘度。同时，在拉伸流变参数的测量过程中，还常常受到多种因素的干扰，使得测量失去准确性。这些因素包括材料粘度属性、端部效应、温度控制、试样准备以及仪器校正等。

1 拉伸粘度

如果引起聚合物熔体的流动不是剪切应力而是拉伸应力时，则有拉伸粘度[6]：

（1）式中为拉伸应变速率，为拉伸应力或真实应力，是以拉伸时真正断面面积计算的。一个流体单元长度由原长l0变至l0+d l0的拉伸流动时，形状发生了不同于剪切流动的变化。

由此可见剪切流动是与拉伸流动有区别的，前者是流体中一个平面在另一个平面的滑动，而后者则是一个平面两个质点问的距离拉长。此外，拉伸粘度还随所拉应力是单向、双

向等而异，这是剪切粘度所没有的。

单轴拉伸流动，拉伸应力为τ，而对应于此方向的拉伸应变速率为ε，则拉伸粘度称为单轴拉伸粘度，又称特鲁顿粘度。

单轴拉伸粘度为其剪切粘度η的三倍，即＝3η，此式称特鲁顿关系式。

x-y平面的双轴均匀拉伸中：

x，y轴的应变εx＝εy＝ε，则应力τzx＝τzy＝ε，称为双轴拉伸粘度。研究证明，对牛顿流体有：

＝2＝6η

假塑性流体的剪切粘度度随剪切速率增大而下降，而拉伸粘度则不同，有降低、不变、升高三种情况。这是因为拉伸流动中，除了由于解缠结而降低粘度外，还有链的拉直和沿拉

伸轴取向，使拉伸阻力、粘度增大。因此，拉伸粘度随的变化趋势，取决于这两种效应哪

一种占优势。低密度聚乙烯、聚异丁烯和聚苯乙烯等聚合物，由于熔体中有局部弱点，在拉伸过程中形变趋于均匀化，又由于应变硬化，因而拉伸粘度随拉伸应变速率增大而增大；聚

甲基丙烯酸甲酯、ABS、聚酰胺、聚甲醛、聚酪等低聚合度线型高聚物的λ则与无关；高密度聚乙烯、聚丙烯等高聚合度线型高聚物，因局部弱点在拉伸过程中引起熔体的局部破裂，所以拉伸粘度随增大而降低。应指出的是，聚合物熔体的剪切粘度随应力增大而大幅度降

低，而拉伸粘度随应力增大而增大，即使有下降其幅度也远比剪切粘度小。因此，在大应力下，拉伸粘度往往要比剪切粘度大100倍左右，而不是象低分子流体那样=3η。由此可以推断，拉伸流动成分只需占总形变的1％，其作用就相当可观，甚至占支配地位，因此拉伸流动不容忽视。在成型过程中，拉伸流动行为具有实际指导意义，如在吹塑薄膜或成型中空容器型坯时，采用拉伸粘度随拉伸应力增大而上升的物料，则很少会使制品或半制品出现应力集中或局部强度变弱的现象。反之则易于出现这些现象，甚至发生破裂。几种热塑性塑料的拉伸应力——拉伸粘度的实测数据见图1。

图1 几种热塑性塑料熔体在常压下的拉伸应力——拉伸粘度关系A-低密度聚乙烯（170℃） B-乙丙共聚物（230℃） C-聚甲基丙烯酸甲酯（230℃） D-聚甲醛（200℃）

E-尼龙-66（285℃）

注：图中所用塑料均为指定的产品，因此，其数据仅供参考

2 拉伸粘度的测量方法