[练习]用旋转流变仪测定聚合物溶液的流动曲线

[ 练习] 用旋转流变仪测定聚合物溶液的流动曲线、实验目的

[1] 学会使用LVDV,III 流变仪。

[2] 记录恒温条件下，不同转子转速下，流体的黏度值、扭矩百分值、剪切

应力及剪切率等，并绘制流体的流动曲线。

[3] 求出流动幕律指数n和稠度系数K,并根据流动幕律指数n判定所测流

体性质。

、实验原理

按照流体力学的观点,流体可分为理想流体和实际流体两大类。理想流体在流动时无阻力，故称为非粘性流体。实际流体流动时有阻力，即内摩擦力（或剪切应

力）,故又称为粘性流体。根据作用于流体上的剪切应力与产生的剪切速率之间的关系,粘性流体又分为牛顿流体和非牛顿流体。研究流体的流动特性,对聚合物的加工工艺方面具有很强的指导意义。

取相距为dy的两薄层流体，下层静止，上层有一剪切力F,使其产生一速度du。由于流体间有内摩擦力影响，使下层流体的流速比紧贴的上一层流体的流速稍

慢一些,至静止面处流体的速度为零,其流速变化呈线性。这样,在运动和静止面之间形成一速度梯度du,dy ,也称之为剪切速率。在稳态下,施于运动面上的力

F,必然与流体内因粘性而产生的内摩擦力相平衡，据牛顿粘性定律，施于运动面

上的剪切应力（T与速度梯度du,dy成正比，即:

(T =F/A=n du,dy= nY

式中：n ,粘度系数，又称为粘度；du,dy,剪切速率，用丫表示，以剪切应力对

剪切速率做图,所得的图形称为剪切流动曲线,简称流动曲线。

(1) 牛顿流体的流动曲线是通过坐标原点的一直线。其斜率即为粘度，即牛顿

流体的剪切应力与剪切速率之间的关系完全服从于牛顿粘性定律：n =c , Y,水、

酒精、醇类、酯类、油类等均属于牛顿流体。

(2) 凡是流动曲线不是直线或虽为直线但不通过坐标轴原点的流体，都称之为非牛顿流体。此时粘度随剪切速率的改变而改变，这时将粘度称为表观粘度，用

n表示。聚合物浓溶液、熔融体、悬浮体、浆状液等大多属于此类。聚合物a

流体多数属于非牛顿流体，它们与牛顿流体的确有不同的流动特性，两者的动量传递特性也有所差别。进而影响到热量传递、质量传递及反应结果。对于某些聚合物的浓溶液通常用幂律定律来描述它的粘弹性，即

,稠变系数(常数)。表观粘度又可表示为：式中:n,流动幕律指数;k

n-1 n = k Y, a

幕律定律在表征流体的粘弹性上的优点是通过n 值的大小来判定流体的性质。

n>1为胀塑性流体;n<1为假塑性流体;n,1为牛顿流体。几种流体可以用

n图8-1表示。将c =k Y取对数得

Ig C =lgk+nig 丫

用Ig c对Ig 丫作图得一直线，n值及k值即可定量求出。

三、实验仪器和材料

［1］仪器:LVDV,III流变仪

［2］样品:聚乙烯醇浓溶液；甲基硅油

四、实验步骤

（1）仪器操作说明

［1］安装并放平流变仪

将流变仪各部件按要求连接好，流变仪必须平放，用底座的三个水平螺

丝调整水平，调节到DV,III，气泡位于圆圈中间,

［2］自动回零

放置平稳后接通电源，空载调零。读数之前，流变仪必须自动回零，每

次开机都要做，操作程序如下：打开电源，屏幕上显示出DV,III ，处于可独立应用状态（未与电脑连接），给出运行程序的版本（内置于控制仪器的程序）。不要按任何键，短暂的停顿之后，屏幕闪15秒，然后DV ,III ，自动回零。15秒后，显示’自动回零结束’，换上转子，按任何键。主屏幕显示，DV,III，可以使用。［3］输入转子号数。

按SELECT SPD键，然后按数字键可输入0,99有效的转子数。选择

错误时，可以通过按数字键来解决，那时使用者再按SELECT SPD键，[4] 装上转子

将转子斜插入样品(防止出现气泡) ，并连接上主机电机杆，调节主机高低

使溶液液面到达转子凹槽部分。并插入温度探测器[5] 输入转速

用数字键和执行键输入转速。本机提供了0-2600 间的任一速度值。

[6] 开始测量

按下MOTOR ON/OFFESCAP键，开始测量流体的黏度值等。测量开

始，等读数稳定下来，才可以记录扭矩、粘度值、剪切应力或剪切率，

一般要转动5圈以上。SELECT DISPLA键可切换显示力矩，(％)、黏

度(cP)、剪应力SS(D/cm2)及剪切率SR(1/S)。记录四个指标，并

附带单位。( 可通过改变转速或转子尽可能使力矩, 在10%-100%以内，

所测结果较为准确。只有合适的转子号数输入才能显示剪应力及剪切率

值，否则显示为0。此时用重新输入转子号数)。

(2) 实验内容

[1]甲基硅油流动曲线测试：用500ml烧杯转入合适量的甲基硅油测试，固

定转子及转子号输入值，测试并记录5 个不同转速下甲基硅油的力

矩,(%)、黏度(cp)、剪应力SS(D/cm2)及剪切率SR(1/S)。

[2] 一定浓度的聚乙烯醇溶液流动曲线测试：同法测试聚乙烯醇溶液。

[3] 测试完毕关机，洗净转子并用吸水纸吸干水分晾干。

五、实验结果及数据处理

1. 准确完整记录实验数据列入下表中

表1 甲基硅油测试记录

测试项目甲基硅油转筒编号转子号

输入值转速力矩黏度剪应力SS剪切率Ig 丫Ig(T /RPM (,) (cp) (D/cm2) SR(1/S)

表2 聚乙烯醇溶液测试记录测试项目聚乙烯醇转筒编号转子号

溶液输入值转速力矩黏度剪应力SS 剪切率Ig 丫Ig C /RPM (,) (cp) (D/cm2) SR(1/S)

2. 画出Ig c —Ig 丫的流动曲线。

3. 求出n 和k 值

4. 讨论试样属于何种流体。

六、注意事项

a) 试验过程中注意对转子的保护。

b) 实验结束后，要及时清洗转子及相关部件。c) 对未知流体选择转子及速度的过程，要通过尝试完成。合适的选择是力

矩处于10,100,:

d) 当转子或速度改变时，非牛顿型流体的行为可导致黏度变化。当黏度数

据一定要进行比较时，一定使用同样的转子，速度，容器和温度。

2e)剪切力,1牛顿/平方米,10达因/CM,黏度,1mpa.s=1cp

七、思考题

[1] 牛顿流体与非牛顿流体的主要区别是什么, [2] 浓溶液的浓度对测量结果有什么影响,