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
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
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
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
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]
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
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？
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：
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!
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
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
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
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]
源自文库
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
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。
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]
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
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
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
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
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 R 3 b g 3
浮力
4 f R3 s g 3
Stokes粘性阻力
F 6 R
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
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
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
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
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