低密度聚乙烯的毛细管流变性能_冯松

收稿日期： 2012 － 06 － 14
修回日期： 2012 － 09 － 21
作者简介： 冯松（ 1987—） ，男，硕 士 生。 主 要 研 究 方 向 为 非 织 造 电 池 隔 膜 材 料 。 焦 晓 宁，通 信 作 者，E-mail： xiaoningj @ tjpu．
edu． cn。
·14·
温度范围内，LDPE 的黏流活化能在 10 ～ 13 J / mol之间，且 黏 流 活 化 能 随 剪 切 速 率 增 加 而 降 低 ，稠 度 系 数 K 随 温 度
升高而降低，属于假塑性流体，在纺丝过程中可以通过调节温度和剪切速率来改变 LDPE 熔体的可纺性。
关键词 LDPE 树脂； 毛细管流变仪； 流变性能； 可纺性
流动活化能是大分子向周围空穴跃迁克服周围 分子作用力所需要 的 能 力，同 时 也 是 熔 体 表 观 黏 度 对温度敏感程度 的 量 度［6 － 8］。 根 据 式 （ 2 ） 和 实 验 数 据作 lnη 1 / Τ 曲线，拟合直线的斜率算出 △Ε 。由 表 1 可 以 看 出，r 值 均 在 0. 99，数 据 具 有 可 信 性，随 着剪切速率增大，LDPE 熔体的 △Ε 下降，表 明 熔 体 的流动性增强。
聚乙烯（ PE） 是通用树脂中产量最大、应用范围 最 广 的 品 种 ，大 约 占 塑 料 总 产 量 的 三 分 之 一 ，由 于 石 油 工 业 的 迅 速 发 展 ，为 聚 乙 烯 提 供 了 丰 富 的 原 料 ，其 价 格 便 宜 ，易 加 工 成 型 ，性 能 优 越 ，发 展 速 度 较 快 ，在 工业、农业、医药、卫 生 和 日 常 生 活 中 得 到 广 泛 的 应 用［1 － 3］。PE 具有良好的力学性 能 和 电 绝 缘 性 能，加 工 性 能 好 ，尤 其 是 良 好 的 化 学 稳 定 性 ，使 其 在 材 料 领 域有着极好的开发前景。
10. 07
r
0. 993 0. 994 0. 995 0. 996 0. 993 0. 996 0. 997 0. 997
△Ε
12. 5 12. 5 12. 2 11. 9 11. 6 11. 5 11. 2 10. 8
2. 3 LDPE 材料的非牛顿指数
非牛顿指数（ n） 是表征聚合物熔体偏离牛顿流 动 程 度 的 指 数 ，对 高 分 子 聚 合 物 分 子 结 构 、相 对 分 子 质 量 、分 子 链 间 的 相 互 作 用 力 、温 度 以 及 切 变 速 率 具 有一定的依赖性，同时 聚 合 物 的 非 牛 顿 指 数 n 与 其 在纺丝加工中的可纺性存在关系。n 值等于 1 时， 聚合物为牛顿流 体。 对 于 纺 丝 熔 体，在 纺 丝 剪 切 流 动的剪切速 率 范 围 内，n 值 小 于 1。 若 n 值 接 近 于 1，熔体黏度随剪切 速 率 的 变 化 程 度 较 小，有 利 于 纺 丝的稳定性。若 n 值 较 小，熔 体 黏 度 随 剪 切 速 率 的 变化程度较大。n 值对纺丝过程的稳定性有较大的 指 导 意 义［9 － 11］。
在温 度 变 化 不 大 的 情 况 下，熔 体 黏 度 与 温 度 T 之间的关系用 Arrhenius 方程［5］来表示。
η = Αe△Ε/RΤ
式中： Α 为常数； R 为气体常数； T 为绝对温度； △Ε
为流动活化能。两边取对数
lnη
=
lnΑ
+ △Ε 2． 303RΤ
Leabharlann Baidu
（ 2）
图 2 示 出 LDPE 材 料 在 不 同 温 度 条 件 下，剪 切
摘 要 为研制低密度聚乙烯（ LDPE） 纤维，确定合理的纺丝工艺参数，利用毛细管流变仪研究 LDPE 材 料 的 流 变
性能。研究结果表明： LDPE 剪切黏度随剪切速率的增大而 降 低，随 温 度 的 升 高 而 降 低，非 牛 顿 指 数 n 小 于 1，随 温
度的升高而变大； 当 LDPE 纺丝在加工温度为 205 ℃ 时，非牛顿指数 n 为 0. 498，最 接 近 牛 顿 流 体。 在 150 ～ 250 ℃
中图分类号： TS 131. 9
文献标志码： A
Rheological property during capillary extrusion of linear low density polyethylene
FENG Song1 ，JIAO Xiaoning1，2
（ 1． School of Textile，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China； 2． Key Laboratory of Advanced Textile Composites （ Tianjin Polytechnic University） ，Ministry of Education，Tianjin 300387，China）
由图 1 看 出，LDPE 熔 体 的 黏 度 随 剪 切 速 率 的 增 大 而 降 低 ，具 有 切 力 变 稀 行 为 ，这 是 由 于 剪 切 速 率
图 2 不同剪切速率下 LDPE 表观黏度 ～ 温度曲线 Fig． 2 Relationship of apparent viscosity and temperature of LDPE at different shear rates
2 结果与分析
2. 1 剪切速率对 LDPE 熔体流变性能的影响
对剪切黏度 η = Κγn － 1 两边取对数，得式（ 1 ） ［4］
lgη = lgΚ + （ n － 1） lgγ
（ 1）
式中： η 为 剪 切 黏 度； K、n 为 非 牛 顿 指 数； γ 为 剪 切
速率。
根据式（ 1） 作 lgγ lgη 的关系曲线如图 1。
低密度聚乙烯（ LDPE） 是 PE 中 支 化 度 高，支 链 较长，应用广泛，化 学 性 能 优 良 的 常 用 高 分 子 材 料。 其价格低廉，加 工 工 艺 简 单。 不 仅 可 以 作 为 绝 缘 材 料，食品包装和农 业 生 产 用 薄 膜，还 可 用 于 管 材、板 材 、容 器 ，由 于 其 支 化 度 高 ，化 学 性 能 稳 定 ，可 以 在 电 池隔膜材料方面有较好的应用。常用的加工方法有 注射成型 和 熔 融 挤 出。 在 挤 出 注 射 成 型 加 工 过 程 中，LDPE 的流 变 性 能 直 接 影 响 着 产 品 的 加 工 工 艺
Abstract A series of studies on the rheological behavior of melt LDPE were undertaken so as to provide the optimal spinning parameters to prepare LDPE fibers． The findings revealed that as the shear rate and temperature increase，the shear viscosity of LDPE decreases and its non-Newton exponent which is less than 1 increases as temperature rises； and the non-Newton exponent of LDPE is 0. 498 when extrusion spinning is carried out at the temperature of 205℃ ，which is very close to Newton fluid． The activation energy of LDPE viscous fluid is in the range of 10 to 13 J / mol，which decreases with the increase of the shear rate． And its viscosity index K decreases as the temperature rises． Therefore LDPE viscous fluid belongs to pseudoplastic fluid，whose spinnability can be controlled by adjusting the temperature and shear rate． Key words LDPE resin； capillary rheometer； rheological property； spinnability
第6 期
冯 松 等： 低密度聚乙烯的毛细管流变性能
·15·
表 1 不同剪切速率下 LDPE 的流动活化能 △Ε
Tab． 1 Activation energy of LDPE under
different shear rates
J / mol
剪切速率 /s －1 2. 99 3. 58 4. 30 5. 16 6. 19 7. 43 8. 92
纺织学报
第 34 卷
参数、产 品 质 量 及 产 量。 以 往 对 LDPE 纺 丝 性 能 的 研究很少，本文对 LDPE 进行流变性能测试，进而为 确定 LDPE 纺丝加工工艺提供理论参考。
1 实验部分
原材料： LDPE，168（ 2） 粉，北京利是行经贸有限 公司生产。
主要 仪 器： RHEOGRAPH25 75 型 毛 细 管 流 变 仪，口模直 径 为 2、0. 3 mm，口 模 长 度 为 5 mm，德 国 GOETTFERT 公司生产。
增 大 ，剪 切 应 力 也 随 之 增 大 ，分 子 链 间 部 分 缠 结 点 被
解开，流体黏度降 低，属 于 典 型 的 假 塑 性 流 变 行 为，
对剪切敏感，因此可 通 过 增 大 剪 切 速 率 或 剪 切 力 来
降低纺丝过程中 LDPE 熔体的黏度。
2. 2 温度对 LDPE 熔体流变性能的影响
第 34 卷 第 6 期 2013 年 6 月
文章编号： 0253-9721（ 2013） 06-0013-04
纺织学报 Journal of Textile Research
Vol． 34，No． 6 Jun． ，2013
低密度聚乙烯的毛细管流变性能
冯 松1 ，焦晓宁1，2
（ 1． 天津工业大学 纺织学院，天津 300387； 2． 天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津 300387）
剧，分子间距增大，熔 体 内 部 有 更 多 的 空 穴 形 成，因
而流动阻力减小，表 现 为 剪 切 黏 度 随 温 度 的 升 高 而
降低。由图看出，表 观 黏 度 与 熔 体 温 度 有 一 定 的 相
关性，因此可通过调 节 纺 丝 温 度 来 改 变 纺 丝 过 程 中
LDPE 熔体黏度。
图 1 不同温度下 LDPE 熔体的 lgη lgγ 流变曲线 Fig． 1 Rheologic curves of LDPE at different temperatures
黏度随温度的变化曲线。取 8 组剪切速率进行分
析，在一定的剪切 速 率 条 件 下，LDPE 熔 体 的 表 观 黏
度 与 温 度 成 反 比 ，结 果 表 明 ，随 着 温 度 的 升 高 ，LDPE
分 子 链 间 相 互 作 用 力 减 小 ，松 弛 时 间 变 短 ，链 段 易 于
活动，有序化程度 降 低，弹 性 变 弱，分 子 链 热 运 动 加
测试方法： 设 置 测 试 温 度、口 模 参 数、剪 切 速 率 测 试 条 件 等 参 数 ，待 温 度 控 制 到 指 定 温 度 后 ，将 一 定 量的 LDPE 放 入 毛 细 管 流 变 仪 料 筒 中 压 实，恒 温 10 min，然后在恒定温 度、压 力 下 将 LDPE 熔 体 从 毛 细管中挤出，用 电 子 记 录 仪 记 录 剪 切 速 率、剪 切 应 力 、剪 切 黏 度 、压 力 ，根 据 结 果 绘 制 流 变 曲 线 ，综 合 分 析材料的剪切流变性能。