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
熔体随之运动，熔体作用在固定板上的扭矩N可通 过传感器测出。
3 N c a 3 2 R
3.3 锥-板型流变仪进行动态粘弹性测量
储能 (弹性) 模量, G’ 损耗 (粘性) 模量, G” 复数模量, G*
= 应力 x Cos (相位角) 应变 = 应力 x Sin (相位角) 应变 = 应力 应变
3. 锥-板型转子流变仪简介
转子流变仪
小角度的振荡，可以提 供如熔融黏度、分子质 量、重均分子量分布和 聚合物松弛等。储能 （弹性）模量及损耗 （粘性）模量与振荡频 率的关系图。
锥和板
对于平行板，剪切
速率在边缘最大， 在中心点等于零
0s-1 5s-1 10s-1
对于锥板，整个样
品上的剪切速率都 是恒定的- 如果间 隙正确!
温度：230℃, 质量：58g, 转速：40 rpm
扭 矩
Torque [Nm]
20
15
SAN & 30% 炭黑 2
10
5
SAN & 30% 炭黑 1
0 0 2 4 6 8 10 12 14
时间 [分]
转矩流变仪的典型曲线-2
扭矩 [Nm]
材料： PVC （硬质）
L
0 1 2
V
3 4
F
5 6 7 8 9
校正的原因:压力传感器安装的位置并不在毛细管上，而 是在料筒筒壁处。
Bagley提出修正方法：保持压力梯度不变，将毛细
管虚拟地延长，并将入口区的压力降等价为在虚拟 延长长度上的压力降。
毛细管壁上真 实剪切应力：
R P w 2( L +n B R) R (P Pent ) 2L
材料：
扭矩 [Nm]
PVC （硬质） 稳定性试验
稳定时间
L V F S
0 3 6 9 12 15 18 运行时间 [minutes] 21
M
24
O
27
D
30
测试点： L = 加料峰 V = 谷点 （熔融过程起始点） F = 塑化峰 （ 熔融过程结束） S = 稳定扭矩 M = 最低点 O = 分解发生 D = 分解峰值
80 70 60
Rheomix600, Roller转子
Torque [Nm]
50 40 30 20 10 0 0
温度：280℃, 质量：52g, 转速：60 rpm
PA6（使用稳定剂）
PA6（不使用稳定剂）
5 10 15 Time [min] 20 25
使用不同炭黑的SAN
30
25
Rheomix600, Roller转子
Rheomix540, Delta转子 温度：120 ℃,转速：50rpm,质量：63g
Torque [Nm]
扭 矩
样品1
样品2
4
5
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
峰代表含义？
2.2 完全发展区内的流场分析 黏度需在此区域内测量 剪切黏度=剪切应力/剪切速率 假定条件 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
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
2.2.1 运动方程及剪切应力的计算 设毛细管半径为R，完全发展区长度为L
Delta转子
热固性材料的混合和交联，使用540型 锥形密炼腔
Cam转子
热塑料、较少轴向分布，陶瓷复合物、 食品（粘稠、高扭矩）
食品应用和塑料溶胶（有扭矩限制） Sigma转子
密炼机–测量原理
在加热密炼腔内使用反 向旋转转子的样品剪 切过程
3
2
试验结果：
扭矩 熔体温度
密炼机试验过程
密炼机清洁
其中，相位角： 施加信号和测量信号的位相 滞后
典型的动态粘弹性测量结果
毛细管流变仪与转子流变仪的区别？
毛细管流变仪适合测量的剪切速率大，而转子流变
仪适合测量较小的剪切速率（10-4~100）
毛细管流变仪主要表征材料的粘性，而转子流变仪
可表征材料的粘弹性
毛细管流变仪与成型加工更接近。
4. 落球式粘度计的测量原理
15
20
扭矩
材料： PVC 粒料（稳定性试验） 交联材料 （PE、橡胶、 热固性材料 ）
稳定时间
测试点：
M O D
L
S
L =加料峰 S = 稳定扭矩
运行时间
M = 最低点
O = 交联发生 D = 交联峰值
PES树脂交联
12 10 8 6 4 2 0 0 1 2 3
时间（ min） Time [min]
10s-1 10s-1 10s-1
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
原理：当圆锥体以一定角速度旋转时，带动高分子
操作简单，测量准确
2 4 1 测量范围广阔（ 10 ~ 10 s ）
测量物料的剪切粘度 物料的流动与挤出、注塑中物料流动形式相仿，具
有实用价值
毛细管流变仪的基本构造
毛细管流变仪的基本构造
根据测量原理的不同，毛细管流变仪可分为：
恒速型
柱塞下压速度恒定，待测定的量为毛细管两 端的压差
机电驱动系统 控制速度、压力，记录 温度、压力和转矩
可更换的实验部件 密闭式混合器或螺杆挤 出器
密炼机的各种转子
密炼机转子及应用
Roller转子
用于混合热塑性材料，如聚烯烃、聚 氯乙烯、工程塑料等
Banbury转子
用于混合弹性体，还可用于将粉末混 合到热塑料材料中 橡胶行业中应用更为普遍
密炼机转子及应用
polyethylene polypropylene PVC polyamide 0.3 to 0.6 0.3 to 0.4 0.2 to 0.5 0.6 to 0.9
4Q 3n 1 w 3 r 4n
d (log ) n= . d (log )
Bagley校正
第六章 流变测量学
流变测量学的任务
加工条件（压力、 扭矩、转速、频率、 流量、温度等）
常用的流变测量仪器
流变性质（应力、 应变、应变速率、 粘度、模量等）
毛细管型流变仪
转子型流变仪 混炼型转矩流变仪
振荡型流变仪
2. 毛细管流变仪的测量原理和方法
2.1 毛细管流变仪的基本构造 优点：
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 gR 2 ( b s ) 9
小球速度可用光电测速装置测量，于是粘度就等于
2 gR 2 ( b s ) t 9 S
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
M
10
运行时间 [min]
测试点： L =加料峰 V = 谷点 （熔融过程的起始点） F = 塑化峰 （ 熔融过程完成） M = 最低点
样品量对PVC熔融的影响
Rheomix600, Roller转子, 温度：160℃, 转速：40 rpm
m：66 g m：64 g
m：60 g
转矩流变仪的典型曲线-3
应用：PVC 稳定性试验
50 45 40
Rheomix600, Roller转子 温度：170 ℃, 转速：60rpm, 质量：65g
a a b a： PVC 干混料（ 稳定剂1.9%） b： PVC 干混料 （稳定剂 2.0%） b
Torque [Nm]
35 30 25 20 15 10 5 0 0 5 10 Time [min]
恒压型
柱塞前进压力恒定，待测定的量为物料的挤出 速度（流量）
熔融指数 仪
熔融指数仪结构原理图
熔融指数高的物料 适合什么工艺？ 注塑成型 熔融指数低的物料 适合什么工艺？ 挤出成型
本节重点讨论恒速型毛细管流变仪
入口区有明显的流线收敛行为，使得流入毛细管一段距离 后，才能发展成层流。 出口附近，约束突然小时，挤出胀大，流线发生变化。
5.混炼机型转矩流变仪的原理和用途
原理
通过记录物料在混合过程中转子或螺杆产生的 反扭矩以及温度随时间的变化，研究物料在加工过 程中的分散性能、流动行为及结构变化。
特点 与实际生产设备（密炼机、挤出机）结构类似
物料用量少
适合于生产配方和工艺条件的优选
转矩流变仪
结构： 微机控制系统 参数设置及结果显示
转矩流变仪的典型曲线-1
材料：
扭矩 [Nm]
聚烯烃 ：
聚乙烯 PE 、聚丙烯 PP 工程塑料： PS、PA、PC、PEEK、 LCP
测试点：
L= 加料峰
L 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 M 10
运行时间
加入物料，物料较冷，扭矩很 高 M = 最低点 最低熔体粘度
稳定剂对聚酰胺的影响