Rosand培训2：第二节-毛细管流变仪的主体结构、工作原理及相关校正
毛细管流变仪原理和应用
ETA 1 [Pa*s] 2.25E+01 8.39E+00 6.33E+00 4.18E+00 2.89E+00 2.21E+00 1.77E+00 1.43E+00 1.20E+00 1.05E+00 9.25E-01
利用Rabinowitsch校正
计算管壁处的剪切速率的
前提是流体是均相的，即
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多料筒测试优势
Recommended die for apparent viscosity 30/1mm
壁滑移校正
入口压力降校正
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流变性能： 剪切流动
流变曲线（分析高分子熔体在加工设备中的流动性能） 挤出胀大激光测微仪（挤出胀大） 高压对粘度的影响（注射模式） 鲨鱼皮检测 熔体温度测试
流变测试设备 毛细管流变仪
更加完备的扩展功能 提供更多更宽更特殊的流变测试应用
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 毛细管流变仪原理介绍 • 产品简介 • 功能介绍
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compression moulding
mixing - calandering transfer moulding - extrusion
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P = pen + pvis + pex
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Pressure Drop (bar)
}
100 80 60 40 20 0 -5
Rosand培训2：第二节-毛细管流变仪的主体结构、工作原理及相关校正
拉伸粘度
1,0E+04
1,0E+03
剪切粘度
1,0E+02
Low Extension 2.0mm Standard Extension 1mm Standard Extension Melt Rupture High Extension 0.5mm
1,0E+01 1,0E-04
1,0E-02
1,0E+00
管壁处流速为0 管壁处剪切速率最大-这也是我们在所有测试中提到的 剪切速率
速度只是径向分布 样品不可压缩
毛细管流变仪原理
控制活塞速度(相当于控制剪 切速率) 压力与剪切应力相关(测量压 力计算剪切应力).
Shear Stress Viscosity = Shear Rate
毛细管流变仪原理
料桶
PL
Rabinowitsch 校正
对于非牛顿流体
γ&app
4Q = 3 πr
表观剪切速率 (牛顿流体) 校正剪切速率 (聚合物熔体) . If n = 0.5, = 1.25 * γa
polyethylene polypropylene PVC polyamide 0.3 0.3 0.2 0.6 to 0.6 to 0.4 to 0.5 to 0.9
零口模结果
Cogswell 方法
双料桶，长口模和零口模 可以直接测量拉伸粘度. 不需要外推.
压力
•
毛细管口模. (L/D = 16)
可以进行Bagley校正. (should not be confused with Historical Bagley correction)
•
10
零口模. (L/D ~ 0) 20 L/D ratio
塑料熔体流变性(毛细管流变仪)
塑料熔体流变性（毛细管流变仪）（参考GB/T 16582——1996部分结晶聚合物熔点试验方法毛细管法）塑料熔体流变性有多种测定方法，通常随使用的仪器类型而不同，用于测量流变性能的仪器一般称为流变仪，有时又叫粘度计。
在测定和研究塑料熔体流变性的各种仪器中，毛细管流变仪是一种常用的较为合适的实验仪器，它具有多种功能和宽广范围的剪切速率容量。
毛细管流变仪即可以测定塑料熔体在毛细管中的剪切应力和剪切速率的关系，又可以根据挤出物的直径和外观或在恒定应力下通过改变毛细管的长径比来研究熔体的弹性和不稳定流动（包括熔体破裂）现象。
从而测其加工行为，作为选择复合物配方、寻求最佳成型工艺条件和控制产品质量的依据；或者为辅助成型模具和塑料机械设计提供基本数据。
一、实验目的1、掌握塑料熔体流变性的测试原理；2、了解转矩流变仪的操作方法；二、实验原理毛细管流变仪测试的基本原理是：设定一个无限长的圆形毛细管中，塑料熔体在管中的流动为一种不可压缩的粘性流体的稳定层流流动；由于流体具有粘性，它必然受到来自管壁与流体方向相反的作用力。
通过粘滞阻力应与推动力相平衡等流体力学过程原理的推导，可得到管壁处的剪切应力和剪切速率与压力、熔体流速的关系如下：材料流经毛细管时的剪切应力为：τ=R·⊿P/2L （1）其中 R—毛细管的内半径，这里 R=0.635 mm⊿P—材料流经毛细管的压力差kg/cm2L—毛细管的长度，例如选择长径比为30：1的毛细管，L=38.1mm 剪切速率为：=4Q/πR3 (2)其中 Q—挤出流量cm3/s由此，在温度和毛细管长径比（L/2R）一定的条件下，测定不同的压力下塑料熔体通过毛细管的流动速率Q，由流动速率和毛细管两端的压力差⊿P，可计算出相应的剪切应力和剪切速率，将一组对应的τ和在对数座标纸上绘制流动曲线，即可求得非牛顿指数（n）和熔体的表观粘度（ηa）；改变温度或改变毛细管长径比，则可得到代表粘度对温度依赖性的粘流活化能；以及离模膨胀比等表征流变特性的物理参数。
毛细管流变仪原理介绍-全
食品工业
食品物料的流动特性分析
毛细管流变仪可用于研究食品物料的流变特性，如粘度、剪切应力、屈服点等，有助于了解食品的加工性能和产 品质量。
食品添加剂的影响
通过测量添加不同食品添加剂后物料的流变性质变化，有助于研究添加剂对食品加工过程和产品品质的影响。
油漆与涂料行业
油漆的粘度控制
毛细管流变仪可用于测量油漆的粘度，为油漆的配方设计和生产过程中的粘度控制提供依据。
依据。
环境监测领域
利用毛细管流变仪测量水体、土壤 等环境介质的流变特性，为环境治 理和保护提供数据支持。
食品工业领域
在食品工业中应用毛细管流变仪， 研究食品物料的流变特性，为食品 加工和质量控制提供帮助。
标准化与规范化的推进
制定统一的行业标准
推动制定毛细管流变仪的统一行业标准，规范产品性能指标和测 试方法，提高产品的可靠性和可比性。
新型传感器技术
研发高灵敏度、高分辨率 的新型传感器，以适应复 杂流体的测量需求，提升 测量精度和可靠性。
微型化技术
将毛细管流变仪微型化， 使其更便于携带和使用， 满足现场快速测量的需求。
应用领域的拓展
生物医学领域
将毛细管流变仪应用于生物医学 领域，研究生物体液和血液的流 变特性，为疾病诊断和治疗提供
粘度是描述流体在剪切力作用下的流动特性的物理量，表示流体抵抗剪切变形的能 力。
粘度与流体的分子结构、温度、压力等因素有关，是流体的重要流变参数之一。
在毛细管流变仪中，通过测量流体在毛细管中的流动速度，可以计算出流体的粘度。在外力作用下发生形变后，能够恢复原状的能力。
02
弹性与流体的分子结构和温度等因素有关，对于高分子材料和
操作简便
毛细管流变仪结构简单，操作 方便，可快速获得测量结果。
毛细管流变仪实验报告
毛细管流变仪实验报告
《毛细管流变仪实验报告》
实验目的：通过毛细管流变仪实验，探究不同溶液在毛细管内的流动特性，了
解流变学的基本原理。
实验原理：毛细管流变仪是一种用于测量流体流动性质的仪器，通过观察毛细
管内流体的流动情况，可以得出流体的粘度、流变特性等参数。
实验中，我们
将不同浓度的聚合物溶液注入毛细管中，通过观察溶液在毛细管内的流动情况，来研究溶液的流变特性。
实验步骤：
1. 将毛细管流变仪调整到适当的工作状态，保证仪器处于稳定状态。
2. 准备不同浓度的聚合物溶液，并将其注入毛细管内。
3. 观察溶液在毛细管内的流动情况，记录流动时间、流速等参数。
4. 根据实验数据，计算出溶液的粘度、流变指数等参数。
实验结果：通过实验我们得到了不同浓度的聚合物溶液在毛细管内的流动情况，发现随着浓度的增加，溶液的粘度也随之增加，流速减小。
通过对实验数据的
分析，我们得出了不同浓度的聚合物溶液的流变特性，了解了溶液的流动规律。
实验结论：毛细管流变仪实验为我们提供了一种直观的方法，来研究流体的流
变特性。
通过实验我们了解了不同浓度的聚合物溶液的流动规律，得出了溶液
的粘度、流变指数等参数，为我们深入理解流变学的基本原理提供了重要的实
验数据。
总结：毛细管流变仪实验为我们提供了一种直观的方法，来研究流体的流变特性。
通过实验我们了解了不同浓度的聚合物溶液的流动规律，得出了溶液的粘
度、流变指数等参数，为我们深入理解流变学的基本原理提供了重要的实验数据。
希望通过这次实验，我们能够更加深入地了解流变学的理论知识，为今后的科研工作提供有力的支持。
毛细管流变仪
目录 CONTENT
• 毛细管流变仪概述 • 毛细管流变仪的组成与结构 • 毛细管流变仪的测量技术 • 毛细管流变仪的应用领域 • 毛细管流变仪的发展趋势与未来
展望 • 毛细管流变仪的维护与保养
01
毛细管流变仪概述
定义与特点
定义
毛细管流变仪是一种用于测量流体流 变特性的仪器，通过模拟毛细管内流 体的流动来测量流体的粘度、弹性、 屈服应力等参数。
粘度校准
定期对粘度计进行校准，以保持其测量精度和可靠性。
04
毛细管流变仪的应用领 域
石油工业
石油开采
毛细管流变仪可用于测量石油的粘度、密度、含蜡量等参数，有助于优化石油开采过程。
油品分析
毛细管流变仪可以分析石油产品的流变特性，如粘度、弹性、屈服值等，有助于评估油 品的质量和性能。
化学工业
化学反应
智能化技术
引入人工智能、机器学习等技术，实现自动识别、 自动调整等功能，提高测量效率。
模块化设计
采用模块化设计，方便用户进行功能扩展和升级， 满足不同应用需求。
应用领域的拓展
生物医学领域
01
应用于生物医学领域，研究生物体的流变特性，为医疗诊断和
治疗提供支持。
食品工业领域
02
应用于食品工业领域，研究食品的流变特性，为食品加工和质
流量校准
定期对流量计进行校准，以保持其测 量精度和可靠性。
温度测量
温度传感器
采用高精度的温度传感器，能够准确测量毛细管内的温度变化，确保测量结果的准确性。
温度校准
定期对温度传感器进行校准，以保持其测量精度和可靠性。
粘度测量
粘度计
采用高精度的粘度计，能够准确测量毛细管内的液体粘度变化，确保测量结果的准确性。
毛细管流变仪原理介绍-全
实验设置与操作
参数设置
根据实验目的和样品特性，设置 毛细管流变仪的各项参数，如测 试温度、压力、时间等。
开始实验
将样品放入仪器指定的样品杯或 试管中，并将样品杯或试管放置 在样品台上。
实验操作
按照仪器操作规程，启动实验， 观察并记录实验过程中样品的流 动行为。
数据采集与处理
数据记录
在实验过程中，及时记录样品的流动曲线、压力变化 等数据。
测量系统
测量系统是毛细管流变仪的核心部分 ，用于检测和记录流体在毛细管中的 流动行为。
测量系统通常包括压力传感器、温度 传感器、流量计和位移传感器等，能 够实时监测和记录流体的压力、温度 、流量和位移等参数。
控制系统
控制系统负责对毛细管流变仪进行控制和调节，确保测量过 程的准确性和稳定性。
控制系统通常包括各种控制电路、控制软件和人机界面等， 能够实现自动化控制和远程操作。
数据处理系统
数据处理系统负责对毛细管流变仪采集的数据进行加工、分析和处理，以得出流 体的流变特性。
数据处理系统通常包括计算机、数据处理软件和存储设备等，能够实现数据的实 时处理、分析和存储。
03 毛细管流变仪的操作流程
CHAPTER
准备工作
仪器检查
确保毛细管流变仪处于良好的工 作状态，检查仪器各部件是否正 常，如电源线、控制面板、样品
跨学科融合
加强与其他学科领域的交叉融合，如物理学、化学、生物学等， 拓展流变仪的应用领域。
绿色环保
研发低能耗、低污染的流点
具有高精度、高重复性、高可靠 性等特点，广泛应用于流体科学 、化学工程、生物工程等领域。
工作原理简介
工作原理
毛细管流变仪利用流体在毛细管中流动时的泊肃叶定律和斯 托克斯定律，通过测量流体在毛细管中的压力降和流量，计 算出流体的流变参数。
毛细管流变仪及其应用研究
王 — 一＝ 雪 ｊ 红 ；
（ 华 东理 工大 学材料 学 院
摘 要 中的应用。
关 键 词 毛细 管流 变 仪 流 变 曲线 加 工 性 能 中 图分 类 号 ： Ｔ Ｈ８ ７ ３ 文献 标 识 码 ： Ａ ２毛 细 管 流 变 仪 的 应 用 分析
１ ． ２控 温 系统
下降至最低 点Ｂ， 塑化过程结束 ； 从Ｂ ． Ｃ阶段可 以看出， 压杆移
动 速度 和 压 力大 小 变化 呈 现 台 阶状 ， 这 主要 是 因 为为 了准确 测 定 表 观粘 度 ， 实 验通 过 控 制压 杆 的移 动 速 度来 达 到 实现 控 制表 毛 细 管 流 变 仪 的 控 温系 统 主 要 通 过 传 感器 测 量 腔 体 的温 观 剪 切速 率 的 目的 。从 （ ｂ ） 图 中可 以看 出， 表 观 切 应 力 随 着剪 度值 ， 并将其转换为信号， 再输入温度显示调节仪表 ， 与设定 切 速 率 的增 加 而 增 大 ； 粘 度 随着 剪 切 速 率 的增 加而减小 。 的信号相 比较 ， 经过运算后改变执行器输 出操作变量， 从而改 ２ ． ２表观粘度与剪切速率的关 系 变 加 热 腔 体 的热 量 ，达 到控 制温 度 的 目的 。 当腔 体 内的 温 度 大 于 限定 区间 时 ， 控 温 系 统 自行 下调 温 度 ， 当腔 体 内 的温 度 小 毛 细 管流 变仪 测 定在 某 一 特 定温 度 下 的粘度 值 ， 若 表 观粘
则被测定为牛顿流体； 若粘度 随剪 于此 区间时 ， 控温系统 自行上调温度 ， 以保 障系统硬件设备和 度随剪切速率 的变化不变 ， 切 速 率 的变 化 而变 化 ，说 明 这种 流 体 是 一 种 典 型 的 非牛 顿 流 传感器连接正常 。
流变仪的工作原理
流变仪的工作原理流变仪的工作原理1.旋转流变仪：有两种，控制应力型和控制应变型A：控制应力型:使用最多，如Physica MCR系列、TA的AR系列、Haake、Malven，都是这一类型的流变仪；其中Physica的马达属于同步直流马达，这种马达相对响应速度快，控制应变能力强；其他厂家使用的属于托杯马达，托杯马达属于异步交流马达，这种马达响应速度相对较慢。
这一类型的流变仪，采用马达带动夹具给样品施加应力，同时用光学解码器测量产生的应变或转速。
B：控制应变型：目前只有ARES属于单纯的控制应变型流变仪，这种流变仪直流马达安装在底部，通过夹具给样品施加应变，样品上部通过夹具连接倒扭矩传感器上，测量产生的应力；这种流变仪只能做单纯的控制应变实验，原因是扭矩传感器在测量扭矩时产生形变，需要一个再平衡的时间，因此反应时间就比较慢，这样就无法通过回馈循环来控制应力。
2.毛细管流变仪毛细管流变仪主要用于高聚物材料熔体流变性能的测试；工作原理是，物料在电加热的料桶里北加热熔融，料桶的下部安装有一定规格的毛细管口模（有不同直径0.25～2mm和不同长度的0.25～40mm），温度稳定后，料桶上部的料杆在驱动马达的带动下以一定的速度或以一定规律变化的速度把物料从毛细管口模种挤出来。
在挤出的过程中，可以测量出毛细管口模入口出的压力，在结合已知的速度参数、口模和料桶参数、以及流变学模型，从而计算出在不同剪切速率下熔体的剪切粘度。
3.转矩流变仪实际上是在实验型挤出机的基础上，配合毛细管、密炼室、单双螺杆、吹膜等不同模块，模拟高聚物材料在加工过程中的一些参数，这种设备相当于聚合物加工的小型实验设备，与材料的实际加工过程更为接近，主要用于与实际生产接近的研究领域。
4.界面流变仪：目前这种流变仪有振荡液滴、振荡剪切等几种原理；是流变测试中最难以准确实现的一个领域；还没有一种特别好而又通用的方法。
美国Brookfield公司正式向中国推出R/S Plus系列流变仪美国Brookfield工程实验室（有限公司）是全球首屈一指的粘度测定/流变学研究仪器的专业厂家，70多年来，始终致力于在流体流变学领域研制简单易用的，功能多样的，产品系列齐全的粘度计/流变仪产品，Brookfield的表盘式粘度计（VT），数字式粘度计（DV-E、DV－I+、DV-II+Pro、DV-III_ULTRA）包含4种不同型号（LV，RV，HA，HB）近二十个产品系列，成为全球最畅销的粘度测定仪器，产品覆盖面达到70%以上，并成为一些粘度计生产厂家争相模仿的对象。
毛细管流变仪
毛细管流变仪毛细管流变仪可以测定高分子材料的流动性和固化速度，可绘制高分子材料的应力应变曲线、塑化曲线，测定软化点、熔融点、流动点的温度。
测定高分子材料熔体的粘度及粘流活化性，还能讨论熔融纺丝的工艺条件。
目录功能特点参数配置功能1、毛细管流变仪为测定高分子材料的流动性和固化速度。
测定高分子材料熔体的粘度及粘流活化性，还能进行讨论熔融纺丝的工艺条件。
2、毛细管流变仪可绘制高分子材料的应力应变曲线、塑化曲线，测定软化点、熔融点、流动点的温度。
3、毛细管流变仪流变仪为计算机测控智能化恒压式毛细管流变仪，能在恒压下和恒速度下工作，通过计算机测定各种压力作用下的各种规格毛细管在不同的升温速率下、不同温度时的挤出速度。
通过计算机，记录挤出速度、压力和加热温度，自动处理成粘度数，并绘制曲线，打印完整报告单。
特点1、毛细管流变仪可以测定高聚物的软化点、熔点、流动点、粘度粘流活化能，热固性材料的固化温度等性能指标。
2、毛细管流变仪采纳负荷加载，设计合理，计算机掌控并实现负荷连续加载，掌控精度高，稳定性能好。
3、控温系统及掌控方式性能优越，利于测定不同温度下高分子材料的变化及相关性能。
此仪器用计算机掌控并绘制试验曲线，显试时时曲线变化，并得出的agen—poiseuille、Rabinowitsch、melt flow rute等方程数据。
参数1、控温范围：室温～400℃±1℃2、升温速率：1，2，3，4，6℃/min，连续可调，并可快速升温3、控温精度：显示±0.5℃，辨别率：0.1℃4、塞头直径：φ11.28 —0.05 mm—0.012mm5、塞头面积：1cm 26、工作电源：220V，50Hz,功率400W7、测定压力范围：1—50MPa±1%8、出料口规格（直径×长度）：1×5、1×10、1×20、1×40（mm×mm）9、出料口材料：碳化钨10、传感器的额定负荷值：5KN11、负荷测量精度：±1%12、负荷辨别率：100000码13、速度设定：500mm/min — 0.001 mm/min14、位移精度：±0.5%15、变形精度：±1%16、变形辨别率：0.01mm配置1、主机一套2、高精度控温表带升温速率1块3、日本松下伺服掌控系统一套4、日本松下电机1台5、数据采集系统一套6、数据处理系统一套7、高精度数显标尺1块8、高精度传感器一只9、联想品牌计算机一套10、彩色喷墨打印机一台11、专用试验软件一套（含光盘一张）12、专用工具一套13、说明书一份14、保修卡一份15、合格证书一份。
第六章流变仪教材
杯 和 转子 (同轴圆桶)
• 很宽的间隙 (11.5mm)，适合填充 材料
• 更大的表面积，测 量稀薄液体时更灵 敏
• 减少了挥发
杯和转子的不利之处
• 清除样品更困难
• 与 平板加热体系， 兼容性相对较差
3.1 锥-板型流变仪测量粘度
R3
s
g
Stokes粘性阻力 F 6 R
初始时小球在溶液内以加速运动下落，待速度升 到一定值时，受力平衡，恒速下降。
W F f
2 9
gR2
(b
s )
小球速度可用光电测速装置测量，于是粘度就等于
2 9
gR2 S
(b
s
)t
特点： 结构简单，操作方便 剪切速率小，测得的粘度近似等于零剪切粘度 可用于研究聚合或降解反应的动力学过程
8L Q
表观剪切粘度
问题：表观剪切粘度是否 是真实粘度？
不是，还需经过Bagley校正 和Rabinowitisch 校正，才
能得到真实粘度
牛顿流体 聚合物 流体
Rabinowitisch 校正
app
4Q
r 3
w
4Q
r3
3n 1 4n
表观剪切速率 (牛顿流体)
样品1
样品2
1
2
3
4
5
Ti时m间e （[mmiinn）]
课后作业
１.毛细管流变仪为什么要进行入口校正及校正方法？ ２.给出ＰＶＣ典型的转矩随时间变化曲线，曲线中各
流变仪的工作原理
流变仪的工作原理1.旋转流变仪：有两种，控制应力型和控制应变型A：控制应力型:使用最多，如Physica MCR系列、TA的AR系列、Haake、Malven，都是这一类型的流变仪；其中Physica的马达属于同步直流马达，这种马达相对响应速度快，控制应变能力强；其他厂家使用的属于托杯马达，托杯马达属于异步交流马达，这种马达响应速度相对较慢。
这一类型的流变仪，采用马达带动夹具给样品施加应力，同时用光学解码器测量产生的应变或转速。
B：控制应变型：目前只有ARES属于单纯的控制应变型流变仪，这种流变仪直流马达安装在底部，通过夹具给样品施加应变，样品上部通过夹具连接倒扭矩传感器上，测量产生的应力；这种流变仪只能做单纯的控制应变实验，原因是扭矩传感器在测量扭矩时产生形变，需要一个再平衡的时间，因此反应时间就比较慢，这样就无法通过回馈循环来控制应力。
2.毛细管流变仪毛细管流变仪主要用于高聚物材料熔体流变性能的测试；工作原理是，物料在电加热的料桶里北加热熔融，料桶的下部安装有一定规格的毛细管口模（有不同直径0.25～2mm和不同长度的0.25～40mm），温度稳定后，料桶上部的料杆在驱动马达的带动下以一定的速度或以一定规律变化的速度把物料从毛细管口模种挤出来。
在挤出的过程中，可以测量出毛细管口模入口出的压力，在结合已知的速度参数、口模和料桶参数、以及流变学模型，从而计算出在不同剪切速率下熔体的剪切粘度。
3.转矩流变仪实际上是在实验型挤出机的基础上，配合毛细管、密炼室、单双螺杆、吹膜等不同模块，模拟高聚物材料在加工过程中的一些参数，这种设备相当于聚合物加工的小型实验设备，与材料的实际加工过程更为接近，主要用于与实际生产接近的研究领域。
4.界面流变仪：目前这种流变仪有振荡液滴、振荡剪切等几种原理；是流变测试中最难以准确实现的一个领域；还没有一种特别好而又通用的方法。
美国Brookfield公司正式向中国推出R/S Plus系列流变仪美国Brookfield工程实验室（有限公司）是全球首屈一指的粘度测定/流变学研究仪器的专业厂家，70多年来，始终致力于在流体流变学领域研制简单易用的，功能多样的，产品系列齐全的粘度计/流变仪产品，Brookfield的表盘式粘度计（VT），数字式粘度计（DV-E、DV－I+、DV-II+Pro、DV-III_ULTRA）包含4种不同型号（LV，RV，HA，HB）近二十个产品系列，成为全球最畅销的粘度测定仪器，产品覆盖面达到70%以上，并成为一些粘度计生产厂家争相模仿的对象。
第六章流变仪
4Q r 3 r
控制：活塞速率
表观剪切粘度
问题：表观剪切粘度是否 是真实粘度？
不是，还需经过Bagley校正 和 Rabinowitisch 校正，才 能得到真实粘度 聚合物 流体
牛顿流体
Rabinowitisch 校正
app
4Q 3 r
表观剪切速率 (牛顿流体)
校正剪切速率 (聚合物熔体) . If n = 0.5, = 1.25 * γa
哈根-泊肃叶方程（Hagen-Poiseuille方程） 体积流量 Q v(r )df v(r )2rdr R P
R R
0
0
4
8L
4Q 3 毛细管流变仪表观剪切速率计算公式： r
表观剪切粘度：
P r r 2L
r r
r 3 P
8L Q
原理：将待测溶液置于玻璃测粘管中，放入加热恒
温槽，使之恒温。然后向管中放入不锈钢小球，令 其自由下落，记录小球恒速下落一段距离S所需时 间t，可计算出溶液粘度
小球下落过程受到三个力作用： 4 重力 W Байду номын сангаасR 3 b g 3
浮力
4 f R3 s g 3
Stokes粘性阻力
F 6 R
将式（6-4）积分得到毛细管内的剪切应力分布为：
p r rz z 2
rz
r 0
0
rz
rR
p R z 2
任意点r处的剪切 应力：
r P w 2L
牛顿流体
2.2.2 剪切速率的计算
dv r P 剪切速率 dr 2L PR2 r 2 v( r ) [1 ( ) ] 速度 4L R
《毛细管流变仪》课件
新能源材料
应用于新能源材料领域，研究材料的 流变特性和电池性能，推动新能源技 术的发展。
对未来发展的展望
跨界融合
绿色环保
将毛细管流变仪与其他技术领域进行跨界 融合，拓展应用领域和市场需求。
研发环保型的毛细管流变仪，减少对环境 的影响，推动可持续发展。
创新驱动
国际化发展
加强技术创新和产品研发，推动毛细管流 变仪的技术进步和应用拓展。
主机系统的设计和制造需要充分考虑 仪器的性能、可靠性和安全性，以确 保实验结果的准确性和可靠性。
它通常包括电源、冷却系统、加热系 统和控制系统等组件，以确保仪器能 够稳定运行并达到所需的实验条件。
测量系统
测量系统是毛细管流变仪的重要组成部分，负责测量 和记录实验过程中的各种物理量。
它通常包括传感器、测量电路和数据处理模块等组件 ，能够测量压力、温度、流量、粘度等物理量，并将
清洁保养
定期对仪器表面进行清洁保养，保持仪器整 洁。
定期校准
按照仪器说明书的要求，定期对仪器进行校 准，以确保测量准确性。
存储环境
将仪器存放在干燥、无尘、避光的环境中， 以延长仪器的使用寿命。
04
毛细管流变仪的实验结果分 析
实验数据的获取
数据来源确认
确保实验数据来源于可靠的毛细管流 变仪设备，并记录设备型号、参数设 置等信息。
重复实验
为了提高数据的准确性，进行多次重 复实验，并对每次实验的数据进行记 录。
数据处理与解析
数据清洗
对获取的数据进行清洗，去除异常值和缺失值，确保数据的 质量。
数据转换
根据实验需求，对数据进行适当的转换，如单位转换、归一 化处理等。
结果分析与解读
趋势分析
流变仪的基本原理及应用 ppt课件
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旋转流变仪
黏度的测量：
因为剪切速率在间隙中是恒定的，因此粘度可以从扭矩求得。 由于剪切应力也是常数，扭矩可以表示为
T20Rr2d r2 3R3
非牛顿粘度：
30T 2R3
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旋转流变仪
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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
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
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
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；
牛顿流体表达式
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毛细管流变仪
入口压力降的典型应用
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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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流变仪原理
流变仪原理引言：流变仪是一种用来测量物质流变性质的仪器，它通过施加外力并测量物质的变形来研究其流动行为。
流变仪的原理十分复杂，本文将从流变仪的基本原理、工作原理和应用领域等方面进行介绍。
一、流变仪的基本原理流变仪的基本原理可以归结为牛顿黏度定律。
根据牛顿黏度定律，物质的应变速率与所受剪切力成正比，比例系数即为黏度。
流变仪利用旋转或振动的方式施加剪切力，再测量物质的应变速率，从而计算出物质的黏度。
二、流变仪的工作原理流变仪主要由悬挂系统、驱动系统、控制系统和测量系统组成。
悬挂系统用于悬挂待测物质，驱动系统通过旋转或振动的方式施加剪切力，控制系统用于控制剪切力的大小和频率，测量系统用于测量物质的应变速率。
流变仪通过控制剪切力的大小和频率，测量物质的应变速率，并根据牛顿黏度定律计算出物质的黏度。
三、流变仪的应用领域流变仪广泛应用于液体、半固体和软物质的研究中。
以下是流变仪在不同领域的应用：1. 化妆品工业：流变仪可以用来研究化妆品的黏度、弹性和流变性，以优化产品的质地和稳定性。
2. 食品工业：流变仪可用于测量食品的黏度和流变性，以改善食品的口感和质量。
3. 医药工业：流变仪可以用来测试药物的黏度和流变性，以确保药物在生产和使用过程中的稳定性和可操作性。
4. 塑料工业：流变仪可用于研究塑料的熔融和加工性能，以改进塑料制品的质量和生产效率。
5. 橡胶工业：流变仪可以用来测试橡胶的流变性和粘弹性，以改善橡胶制品的性能和可靠性。
6. 石油工业：流变仪可用于研究石油和油藏流体的黏度和流变性，以指导石油勘探和开采过程。
7. 土壤力学：流变仪可用于测试土壤的黏塑性和变形特性，以指导土壤工程和地质灾害防治。
结论：流变仪是一种用于研究物质流变性质的重要仪器，它通过施加剪切力并测量应变速率来研究物质的流动行为。
流变仪的工作原理基于牛顿黏度定律，并应用于化妆品、食品、医药、塑料、橡胶、石油和土壤力学等领域。
通过对流变仪原理的深入了解，我们可以更好地理解和应用流变学知识，推动各个领域的科学研究和工程实践。
毛细管流变仪的原理及应用
毛细管流变仪的原理及应用1. 毛细管流变仪的原理毛细管流变仪是一种用来研究和测试物质的流变性质的仪器。
它主要基于毛细管流动的原理来测量物质的粘度和流变性质。
下面将详细介绍毛细管流变仪的原理。
1.1 毛细管流动原理毛细管流动是一种微小尺度下的流体流动现象。
当流体通过毛细管时，由于毛细管的直径很小，表面张力的作用导致流体在毛细管内壁附近形成一层静水压力。
这种静水压力与毛细管半径、表面张力和液体的接触角有关。
根据毛细管流动的现象，可以利用毛细管流变仪来测量物质的流变性质。
1.2 毛细管流变仪的工作原理毛细管流变仪主要由一个微小的毛细管和一个液体样品室组成。
液体样品通过某种方式进入毛细管，然后通过精确控制压力和流速来测量样品在毛细管内的流动情况。
毛细管流变仪根据毛细管内流体的压力和流速变化来计算出物质的粘度和流变性质。
2. 毛细管流变仪的应用毛细管流变仪在很多领域都有着广泛的应用。
下面将介绍几个常见的应用领域。
2.1 药物研发在药物研发中，毛细管流变仪可以用来测试药物的黏度和流变性质。
这有助于研发人员确定最佳的药物配方，以便药物能够更好地在人体内吸收和释放。
2.2 食品工业在食品工业中，毛细管流变仪被广泛用于测量食品的流变性质，如酱油、果酱、果膏等。
这有助于控制和改进食品的质量和口感。
2.3 石油工业在石油工业中，毛细管流变仪可以用来研究原油和油品的流变性质。
这对于油田勘探、油品精炼和输送过程中的流体性能评估非常重要。
2.4 塑料工业在塑料工业中，毛细管流变仪可以用来测试不同塑料材料的流变性质。
这有助于工程师选择最适合的材料，并控制塑料制品的生产过程。
2.5 化妆品工业在化妆品工业中，毛细管流变仪可以用来测试化妆品的流变性质，如乳液、精华液等。
这有助于改进产品的配方和质量。
3. 流变性质的评估参数在毛细管流变仪的测试中，一些常见的流变性质参数包括：•粘度：描述物质抵抗流动的能力，单位为帕·秒（Pa·s）。
毛细管流变仪
. . = K.(g)a n-1
n = log / log g a
where:
K = consistency index ( Pa.sn ) n = power law ( non-Newtonian) index Q = volumetric flow rate m3/min r = capillary radius ( m) L = capillary length (m). P = pressure drop ( Pa)
1.E+08
Relaxation
Mixing
Viscosity (Pa.s)
1.E+06 1.E+04
Free surface
Injection moulding
1.E+02
1.E+00 1.E-05
Extrusion Coating
1.E-03 1.E-01 1.E+01 Shear rate (s-1)
Newtonian fluid
.shear rate , g = 4Q / r3
shear stress, = Pr / 2L
.g shear viscosity,
=/
Non -Newtonian fluid
rheological equation of state:
( power law)
.
But, molten polymers are complicated systems...
• In between a liquid and a solid
• Tempera ture depende nt
• Rate dependent • Time dependent • Work dependent
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零口模结果
Cogswell 方法
双料桶，长口模和零口模 可以直接测量拉伸粘度. 不需要外推.
压力
•
毛细管口模. (L/D = 16)
可以进行Bagley校正. (should not be confused with Historical Bagley correction)
•
10
零口模. (L/D ~ 0) 20 L/D ratio
管壁处流速为0 管壁处剪切速率最大-这也是我们在所有测试中提到的 剪切速率
速度只是径向分布 样品不可压缩
毛细管流变仪原理
控制活塞速度(相当于控制剪 切速率) 压力与剪切应力相关(测量压 力计算剪切应力).
Shear Stress Viscosity = Shear Rate
毛细管流变仪原理
料桶
PL
6 70
活塞速度
Pressure (MPa)
5
60
v
50 4 40 3 30 2 20
Shear Rate (/s) / Extruded Volume (cm 3)
Pressure Drop Shear Rate Extruded Volume
t
1
10
0 0 1000 2000 3000 4000 5000
τ True η= γ&True
牛顿流体
聚合物 流体
流动曲线测量
控制：活塞速率 测量：压力降
τ app η= γ&app
表观剪切粘度，没有进行校正
典型流动曲线结果
原始压力数据
表观剪切粘度
Bagley Correction
Bagley 校正 入口压力降校正
双料桶设计最大优点
毛细管口模入口压力降
Rabinowitsch 校正
对于非牛顿流体
γ&app
4Q = 3 πr
表观剪切速率 (牛顿流体) 校正剪切速率 (聚合物熔体) . If n = 0.5, = 1.25 * γa
polyethylene polypropylene PVC polyamide 0.3 0.3 0.2 0.6 to 0.6 to 0.4 to 0.5 to 0.9
Rosand毛细管流变仪培训之二
毛细管流变仪结构、工作原理及相关校正
杨凯
流变仪技术支持
主要内容
毛细管流变仪产品系列 毛细管流变仪结构及其测试原理
熔融指数 毛细结构及其测试原理 Bagley校正及其双料桶设计 Rabinowtish 校正 Hagebach校正 毛细管流变仪应用
Rosand 毛细管流变仪介绍
50s-1 10s-1
1,000s-1
100
剪切应力通过幂律关系拟合
Pressure (Mpa)
10
最后一个应力值偏离，是实验拟 合误差还是材料本身性质？
PL
1 0 50 100 150 200 250 300
Po
Ps
0.1 Tim e
Pl
毛细管流变应用三：材料热稳定性
Thermischer Abbau at 260癈
单位: g/10min. 只能定性的判断某个温度下的流动性
毛细管流变仪更精确，测试方法更多
1.E+08
Relaxation Mixing
V isco sity (P a .s)
1.E+06
Injection moulding
1.E+04 1.E+02 1.E+00 1.E-05
Free surface
MFI test
Extrusion Coating
1.E-03
1.E-01 1.E+01 Shear rate (s-1)
1.E+03
1.E+05
Rosand 毛细管流变仪示意图
主要部件是料桶…… 包括
样品 压力传感器 温度传感器 活塞 口模
基本假设条件
完全发展流动-稳态条件 恒温，层流 材料粘附在管壁，没有滑移
R R
4Q 毛细管流变仪表观剪切计算公式： γ = & 3 πr
牛顿流体
毛细管流变仪原理
非牛顿流体
γ&app = τ app
4⋅Q πR 3 R ⋅ ∆P = 2⋅ L
校 正
η = Kγ& n−1
d (logτ ) n= & d (logγ )
Bagley校正 Rabinowitisch 校正 壁面滑移校正
4Q ⎛ 3n + 1 ⎞ γ&c = 3 ⋅ ⎜ ⎟ πr ⎝ 4n ⎠
d (log τ) n= . d (log γ)
可选但对比数据是必须保持一致！！
非牛顿指数n计算
n 是非牛顿指数， 通常是粘度 η 对剪切速率的斜率 γ
.
Fitted n = 1.0 - linear Fitted n = 0.25 – linear
技术支持 – 丰富的多媒体学习资料
材料表征领域创新解决方案
You are all welcome!
参考资料
Polymer Melt Rheology: A Guide To Inductrial Practice; F.N. Cogswell. Woodhead Publishing Limited. ISBN 1 85573 198 3 An Introduction to Rheology; H A Barnes, J F Hutton, K Walters. Elsevier. ISBN: 0-444-87469-0 A Handbook of Elementary Eheology; H A Barnes. Institute of Non Newtonian Fluid Mechanics. ISBN: 0-9538032-0-1
拉伸粘度
1,0E+04
1,0E+03
剪切粘度
1,0E+02
Low Extension 2.0mm Standard Extension 1mm Standard Extension Melt Rupture High Extension 0.5mm
1,0E+01 1,0E-04
1,0E-02
1,0E+00
10
Relaxation Time λ = 26.75 sec ( Mono-exp. Decay)
ilibrium Time
t
0 0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Real Time (sec)
⇒ 残余应力可导致表明裂纹 (automotive industry)
3. 两种材料，不做校正.
同时做两种材料实验.
4. 扩展剪切速率实验，不做校正
使用两种不同尺寸的口模，扩展剪切 速率范围
Rabinowitsch Correction
Rabinowitsch 校正
牛顿流体在圆形管道中的速度 分布是抛物线状 然而，大多数流体是非牛顿流 体，如聚合物熔体，剪切变稀 然而，对于非牛顿流体，在圆 形管道中的速度分布不是抛物 线形状，而是柱塞状的 所以，需要对剪切速率进行校 正
0 6000
real time (sec)
⇒ 最长加工时间
毛细管流变应用四：应力松弛
材料加工之后
Relaxation 190°C LDPE
25
12000
活塞速度:
Pressure Drop (MPa)
20
10000
v
8000
15
6000
Online Pressure Drop Shear Rate
延长压力曲线到长径比为零时，从而得到入口压力降
传统Bagley校正
测量一系列不同长度口模的压力降 线性外推：口模的长径比 (L/D)为 0
Pressure
另一种方法：零口模，直 接测量长径比为0时的压 力降 这种方法避免了外推法
High shear rate ° ° ° ° • 10 • 20 • • Low shear rate
双料桶毛细管流变仪的发明者
熔融指数MFI – Melt Flow Indexers
简单的说，毛细管流变仪 就是高级熔融指数测定仪
2.16kg
毛细管流变仪 可以得到更多 的材料信息
MFI die (2.095mm diameter)
熔融指数的缺点
加载固定的载荷（恒定应力）挤出物料.
工业上更多的是控制速率 剪切速率不固定（依赖于物料），且通常比较低（低于常用 加工剪切速率） 每次只能施加一个应力
Hagenbach 校正
是对低粘度样品进入口模时有加速效应所产生的 压力降进行校正 通常对于高聚物熔体，与入口压力 损失相比可以忽略不计. 需要样品的密度进行校正
毛细管流变应用一：剪切粘度和拉伸粘度
LDPE at190°C
1,0E+05 Shear Viscosity / Extensional Viscosity (Pas) Low Shear Test Zero Shear Viscosity Low Shear 2.0mm Standard Shear 1mm Standard Shear Melt Fracture High Shear 0.5mm
30
40
L/D ratio
外推法问题
测量一系列不同长度口模的压力降
Pressure Pressure
• • • • • • •
• • • • • • •
• L/D 很小时，压力降不在呈 • 线性 直接测量零口模的压力降