聚合物流体流动行为的表征

用途


　　聚合物流体（包括聚合物熔体和高分子浓溶液）在外力作用下的流动行为具有流动和形变二个基本特征，而流动和形变的具体情况又和聚合物的结构、聚合物的组成、环境温度、外力大小、类型、作用时间等错综复杂的因素密切相关。聚合物流体的流动行为直接影响到高分子材料加工工艺的选择及高分子材料使用性能的充分发挥。因此在高分子成型加工工作中，首先要表征聚合物流体的流动行为，在高分子物理研究中为了了解高分子凝聚态结构在成型加工中形态的变化规律，也需要研究聚合物流体在外场作用下的流动行为。聚合物流体流动行为的表征数据有：粘度，熔融指数，剪切应力（στ）－切变速率γ流动曲线（或表观粘度（ηa）－切变速率曲线），工业用转矩－时间曲线（或加工温度－时间曲线）

表征方法及原理

　　（1）用粘度计测聚合物流体的粘度

有三种粘度计用于测量聚合物流体的剪切粘度，即落球粘度计，毛细管粘度计和转动粘度计。不同粘度计具有不同的施加剪切力的原理，因此具有不同的粘度（η）、剪切应力（στ）、剪切速率（γ）的计算方法。其中落球式粘度计，用来测低剪切速率下的剪切粘度值；毛细管粘度计可测较宽范围剪切速率和温度下的表观剪切粘度值、及相应的剪切应力和剪切速率值；转动粘度计又分为二类，即锥板粘度计和同轴圆筒转动粘度计。其中锥板粘度计可测牛顿流体及非牛顿流体的粘度值，同轴圆筒粘度计可测得剪切应力、剪切速率或相应剪切速率下的表观粘度值。
　　附带说明，聚合物流体的粘度值，是和流体的温度及剪切应力的大小相关的。

（2）用粘度计测聚合物流体的流变曲线

用毛细管粘度计和同轴圆筒转动粘度计测量恒定温度下，施加不同剪切应力（στ）时，流体中相应的剪切速率值（γ），并以剪切应力对数lgστ（纵坐标）－剪切速率对数lgγ（横坐标）作图，即为该聚合物流体在某温度下的流变曲线。

　　（3）工业用“熔融指数”的测定

工业上常用熔融指数来表征聚合物的加工性能，对熔融指数的测定是采用标准熔融指数仪，将聚合物完全熔融，然后在一定负荷下将聚合物熔体从具有固定直径，固定长度的毛细管中挤出，在10分钟内被挤出聚合物熔体的重量（克），为该高聚物的熔融指数。通常熔融指数仪的载荷为2.16kg，从毛细管尺寸可以计算出剪切应力为2×104Pa，聚合物熔体剪切速率值约在10－2－101的范围内。

　　（4）转矩流变仪测聚合物流体的流变性能

为了选择聚合物产品的加工条件，工业上常用转矩流变仪测定聚合物流体的流变性能，工业用转矩流变仪有Brabender（布拉班德）流变仪，Hake（哈克）流变仪等。这类仪器可以模拟高分子成型中真实过程的条件，因此常用来测定在加工过程中聚合物的流变特性，并据此来选择聚合物加工的最佳工艺。待测聚合物用转矩流变仪进行成型加工时，测定其流变仪的转矩值、物料温度值、熔体压力及工作时间等参数，可以画出被测聚合物“成型加工”时的转矩－时间曲线，温度－时间曲线，并可据此判断聚合物熔体的粘度变化情况（即转矩值变化情况），熔融过程中的能量消耗情况，熔融特性，热稳定时间及聚合物的分解特性等一系列工艺参数，从而为实地对该聚合物进行熔融加工提供必要的工艺数据。

　　（5）用流变仪研究成型加工条件（力、温度、时间等）对聚合物凝聚态结构的影响。

聚合物加工过程中外界条件的变化，必然影响到高分子的链运动，从而影响到聚合物凝聚态结构的形成。而聚合物凝聚态结构、形态不同，将大大影响高分子材料的性能。用流变仪比较不同成型条件（例剪切力大小、作用时间、作用方式、不同温度等），对形成的高分子材料中凝聚态结构、形态的影响及其相应力学性能的情况，可以使我们对改进聚合物成型技术得到启迪。

所用仪器

落球粘度计
毛细管粘度计
旋转粘度计
熔融指数仪
毛细管流变仪
转矩流变仪
旋转流变仪

参考文献



1、“高聚物结构、性能与测试”（P.526）焦剑，雷渭媛主编，化工出版社，2003年
2、“高分子物理实验”（P.122）何平笙，杨海洋，朱平平，瞿保均编，中国科技大学出版社，2002年