流变性能测定

仪器 落球粘度计 转子型
表6.1 各种流变测定仪器切变速率范 围和粘度范围 s-1
切变速率范围 极低＜＜10-2 同轴圆筒10-3~ 102 平行板10-3~ 102 锥板式10-3~ 102 门尼粘度计1.57 硫化仪,很低 ~ 102 10-1~ 106 粘度范围Pa.s 10-3~ 103 10-1~ 1011 103~ 108 102~ 1011 ~ 105


其中恒速型较为方便，物料从直径宽大 的料筒，经挤压通过一定入口角的入口区 进入毛细管，然后从出口挤出，其流动状 况发生巨大变化。入口附近有明显的流线 收敛行为，它将影响物料刚刚进入毛细管 区的流动，使得流入毛细管一段距离后， 才能发展成稳定的流线平行的层流。在出 口附近，因为管壁约束突然消失，弹性流 体表现出挤出胀大，流线又发生变化，因 此物料在整个毛细管中的流力可分为三个 区：入口区，完全发展流动区，出口区。 下面分别讨论。

按物料的形变历史，即按运动的时间依赖性分， 有： 稳态流变实验，实验中材料内部的应力、温度、 剪切速率为常数，不随时间变化。 动态流变实验，实验中材料内部的应力，应变 场发生交替变化，一般要求振幅要小，变化以正 弦规律进行。 瞬态流变实验，实验时材料内部的应力，应变 发生阶跃变化，即相当于一个突然的起始流动或 终止流动。 根据物料的流动形式分：有剪切流动，拉伸流动 下面将分别介绍各种测量仪器，根据所用切变速 率与粘度选择适合的流变仪。

2、完全发展区的流场分析 按照定义，流体的粘度等于流体承受的剪切应力除以剪 切速率。这一定义对牛顿型流体的常数粘度和非牛顿型流体 的表观粘度均能成立。这里要说明两点：（1）定义中的所 说的剪切应力和剪切速率都必须是针对同一流体的测量； （2）实际上剪切应力、剪切速率都不能直接测量，因此必 须通过一些直接测量的物理量来求得剪切速率和剪切应力， 从而求得粘度。
τ在中心层为0，在管壁处R处最大，在管 壁上的切应力： τw= △pR/2L 可见，只要毛细管内的压力梯度确定，管 内任一点的剪切应力也随之确定，这样， 一个测剪切应力的的问题即为测压力梯度 的问题，即只要测出毛细管两端的压力差 除以毛细管长度即可。 这样计算剪切应力的方式，对任何一种流 体，无论是牛顿流体还是非牛顿流体均成 立，计算过程不涉及流体的类型。
振荡型 转矩型 毛细管
10-1~ 107
6.2 毛细管Байду номын сангаас变仪
可直接测得聚合物剪切粘度，剪切速率适用范 围宽，在注射成型，聚合物所受剪切速率很高， 有时高达103~104s-1，只有用毛细管流变仪才能测 这样高剪切下的粘度。 是目前发展最成熟、最典型，因而应用最广的 流变测量仪，其主要优点在于： （1）操作简单，测量准确，测量范围广（r=102~104s-1）； （2）毛细管中物料的流动与某些加工成型过程中 物料流动形式相仿，因而具有实用价值； （3）不仅可测量物料的剪切粘度，还可通过对挤 出行为的研究，讨论物料的弹性行为。

1、基本构造 核心部分是一套毛细管，具有不同的长径比 （通常L/D=10/1，20/1，30/1，40/1等），料筒 周围是恒温加热套,内有电热丝。料筒内物料的上 部为液压驱动的活塞，物料经加热变为熔体后， 在柱塞压作用下，强迫从毛细管挤出，由此测量 物料的粘弹性。 除此外，仪器还配有调速机构、测力结构、控 制机构、自动记录和数据处理系统等。 根据测量原理的不同，毛细管流变仪分为恒速 型和恒压型两类，恒速型仪器预置柱塞下压速度 为恒定，待测定的量为毛细管两端压差，恒压型 仪器预置柱塞前进压力为恒定，待测量为物料的 挤出速度即流量。

2．2剪切速率计算 不象上面剪切应力计算那么简单，它与流过毛 细管的物料种类有关。 对于牛顿型流体，


r

dV pr dr 2 L
其中，V为线速度，是与管中心距离r的函数，管 中心的的流速大，随r增大，v减小，故速度梯度 为负值。 可见， r 随r增大而增大，在管中心r=0则 =0。
6.1引言


6.1.1 流变测量的目的：
（1）物料的流变学表征。通过测量掌握物料的流变性质与 体系的组分、结构以及测试条件间的关系，为材料设计、配 方设计、工艺设计提供基础数据，控制和达到期望的加工流 动性和主要物理力学性能。 （2）工程的流变学研究和设计 借助流变测量研究聚合反 应工程、高分子加工工程及加工设备与模具设计制造中的流 场及温度场分布，确定工艺参数，研究极限流动条件及其与 工艺过程关系，为完成设备与模具CAD设计提供可靠的定量 依据。 （3）检验和指导流变本构方程理论的发展，通过流变测量， 获得材料真实的粘弹性变化规律及与材料结构参数间的内在 联系，检验本构方程的优劣。


2．1运动方程及剪切应力的计算 假设：流体内不可压缩，流场是等温的稳定层流，流道壁 上无滑移。出入口效应暂时不考虑，如上图，考虑一个不 可压缩流体在半径为R的圆管中的层流，在此无限长的管 中取长度为L，两端压差为△p的液柱，由于是稳定层流， 所以图中虚线部分的圆柱流体所受的力是平衡的，即在半 径为r的圆柱面上阻碍流动的粘滞阻力τ2πrL与两端压差所 产生的使液柱流动的推力△p πr2 互相平衡。 τ2πr L= △p πr2 圆柱面上的切应力为: τ= △p r/2L


6.1.2 流变测量仪器分类： 毛细管流变仪: 根据测量原理不同可分为恒速型 和恒压型两种。 转子型流变仪: 根据转子几何构造不同又分为锥 板型、平行板型、同轴圆筒型等。橡胶工业常用 的门尼粘度计为一种改造的转子型流变仪。 转矩流变仪: 带有一种小型密炼器和小型螺杆挤 出机及口模，优点在于测量过程与实际加工过程 相似，测量结果更具工程意义，常见有 Brabender公司和Haake公司生产的塑性计。 振荡型流变仪: 用于测量小振幅下的动态力学性 能，结构同转子型流变仪，只是转子作小振幅的 正弦振荡。