流变仪的基本原理及应用PPT课件

存在原因： 物料经历强烈拉伸和剪切流动， 牛顿流体：∆pent很小，忽略不计
贮存、消耗了部分能量
粘弹性流体：必须. 考虑因弹性形变导致的压力损失
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修正方法：
毛细管流变仪
e0为Bagley修正因子
压力梯度：
完全发展区 管壁上的剪切应力：
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毛细管流变仪
确定e0的实验方法
同一体积流量
长径比不同
横向截距 LB /D = e0 /2
优点：测量结果和实际加 工过程相仿
毛细管流变仪
旋转流变仪
转矩流变仪
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关于流变仪的简单介绍
常见流变仪的剪切速率范围及测黏范围
精确测量范围取决于各自测量面积和样品性质 压缩型门尼粘度计的剪切速率范围大于振荡型
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关于流变仪的简单介绍
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毛细管流变仪
两类主流毛细管流变仪的主要区别
恒速型
恒压型
柱塞前进速率恒定， 作匀速运动
实验中： 1、应保持Q恒定，若Q变，相当于 剪切速率改变， e0 也随之变化； 2、由于∆pent主要因流体贮存弹性 引起，故影响材料弹性的因素同样 会影响e0取值； 3、当长径比小、剪切速率大、温 度低时，不可忽略入口校正； 4、长径比>40时，∆pent所占比例 小可不做入口校正。
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毛细管流变仪
◆ 实际用于粘度及流变性能测量的几何结构有同轴圆筒、锥板和平行板等。
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旋转流变仪
椎板
在板间隙内速度沿θ 方向的分布是线性的，可以表示为
V
2
r
0
Ω：施加于椎板的
旋转角速度
θ0：锥顶角
0
1 r
R
应变速率张量的θφ 分量为剪切速率
srinsVin 0
F
锥板结构的示意图
※在锥顶角很小的情况下，剪切速率是常数，并且相应的流动为简单剪切流动。 这个结果是从牛顿流体得出的，我们也假设对于粘弹性流体它也成立。因此， 一般建议锥顶角应该小于3°。
中挤出
测物料黏度及其它流变参数
恒速型毛细管流变仪 的外形构造
物料从大截面流进小截面 此时流动状况发生巨大改变，入口区附近物料由 于受拉伸出现明显地流线收敛现象，此现象对刚 进入毛细管的物料流动有很大影响。
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毛细管流变仪
恒压型毛细管流变仪
熔体指数仪的基本结构与恒速型流变仪类似 不同之处：熔体指数测量仪中柱塞是变速运动
待测量为毛细管两端的压力差
柱塞前进压力恒定， 作变速运动
待测量为物料的挤出速度
一般用来测量物料黏度及 其它流变参数
塑料工业中常使用熔体指数仪 来测熔融指数
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毛细管流变仪
核心部件 长径比：10/1、20/1、30/1、40/1等
物料加热成熔体
从料筒经挤压
通过入口区进入毛细管 柱塞的高压作用 从毛细管
三种主流流变仪
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恒速型（测压力）： eg.通常的高压毛细
管流变仪 恒压型（测流速）：
eg.塑料工业常用的 熔体指数测量仪 重力型：
eg.乌氏粘度计
2
根据夹具几何构造的不同 分三类：锥-板型
平行板型 同轴圆筒型
eg.橡胶工业中常用的门 尼粘度计
3
混炼机型流变仪： 一种组合式转矩流变
仪，带有小型密炼机和小 型螺杆挤出机及各种口模
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旋转流变仪
锥板结构的缺点：
(i) 体系只能局限在很小的剪切速率范围内，因为在高的旋转速度下，由 于惯性的作用，聚合物熔体不会留在锥板与平板之间。对于低粘度和 有轻微弹性的流体，可以使用杯来代替平板，这样可以得到大的剪切 速率；
而后者是匀速运动
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毛细管流变仪
物料在毛细管中流动的三区域： 入口区、完全发展区、出口区
L: 毛细管总长 p1 :柱塞杆对聚合物熔体施加的压力 p0 :大气压 pe :出口处熔体压力
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毛细管流变仪
完全发展区的流场分析
1、Bagley 校正 牛顿流体：∆pexit 为零 粘弹性流体： 若其弹性形变在经毛细管后尚未完全恢复， 至出口处任存部分内压力，则导致∆pexit
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流率最大时
毛细管流变仪
凝胶度：
流率最小时
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毛细管流变仪
出口区的流动行为
1、挤出胀大现象
产生原因
A、
B、
影响因素 A、高分子链结构及物料配方对挤出胀大现象有明显影响
B、毛细管长径比和料筒尺寸影响挤出胀大比 B = d/D
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毛细管流变仪
长径比增大， B减小
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L/D较大时： B与长径比几乎无关； 此时挤出胀大原因主要来 自分子链取向产生的弹性 形变， 而入口区弹性形变影响已 不明显
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毛细管流变仪
B
DR / D
料筒内径 / 毛细管直径
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毛细管流变仪
2、出口压力降不为零
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毛细管流变仪
测试方法
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毛细管流变仪
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毛细管流变仪
基本应用
聚合物熔体剪切黏度的研究
流动曲线的时温叠加 聚合物熔体弹性的研究
由末端校正计算熔体弹性 法向应力差的计算
挤出胀大比的研究
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毛细管流变仪
◆ 旋转流变仪一般是通过一对夹具的相对运动来产生流动。引入流动的方法 有两种：
※一种是驱动一个夹具，测量产生的力矩，也称为应变控制型，即控制 施加的应变，测量产生的应力；
※另一种是施加一定的力矩，测量产生的旋转速度，也称为应力控制型， 即控制施加的应力，测量产生的应变。
◆ 一般商用应力控制型流变仪的力矩范围为10−7 到10−1 N⋅m，由此产生的 可测量的剪切速率范围为10−6 到103 s−1，实际的测量范围取决于夹具结构、 物理尺寸和所测试材料的粘度。
测黏数据处理
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Байду номын сангаас
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毛细管流变仪
负荷与滑塞速度 平衡
此处n不是幂律指数
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毛细管流变仪
计算出毛细管管壁处剪切速率
管壁处黏度
用毛细管流变仪所测得数据实为 管壁处流变数据
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毛细管流变仪
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旋转流变仪
基本结构
◆ 旋转流变仪是现代流变仪中的重要组成部分，它们依靠旋转运动来产生简 单剪切流动，可以用来快速确定材料的粘性、弹性等各方面的流变性能。
2、Rabinowitsch 校正
该公式为通式，推导时并未限制流体类型
壁剪切应力
真实剪切速率
牛顿黏度
牛顿流体表达式
n与1的差异可描述偏离牛顿流体的程度； 大多数高分子浓溶液和熔体n通常小于1； 此处n并非幂律定律中的非牛顿指数；
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毛细管流变仪
入口压力降的典型应用
零长毛细管流变仪法测量PVC样品在不同辊温下素炼后的凝胶化程度
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旋转流变仪
锥板结构的优点：
(i) 剪切速率恒定，在确定流变学性质时不需要对流动动力学作任 何假设。不需要流变学模型；
(ii) 测试时仅需要很少量的样品，这对于样品稀少的情况显得尤为 重要，如生物流体和实验室合成的少量聚合物；
(iii) 体系可以有极好的传热和温度控制；
(iv) 末端效应可以忽略，特别是在使用少量样品，并且在低速旋转 的情况下。