实验8用毛细管流变仪测定聚合物熔体的流变性能当温度处于流动温度（或熔点）与分解温度之间时，线型聚合物呈现粘流态，成为熔体。绝大多数线型聚合物的成型加工都是在熔融态进行的，特别是热塑性塑料的加工。例如，树脂要加热到粘流温度以上才能模塑、挤出、吹塑、浇注薄膜、注射成型或者熔融纺丝等，即必须通过物料的粘性流动来实现。因此，研究聚合物熔体的流变性是正确进行加工成型的重要理论基础。一、实验目的1.了解聚合物的流变行为及其重要性。2.掌握使用挤压式毛细管流变仪测量聚合物流变特性的方法。3.测定聚丙烯的流动曲线和表观粘度与剪切速率的依赖关系。二、实验原理高分子聚合物流变行为的测定，对加工及合成都是极其重要的。因为对聚合物进行成型加工时一般都包括一个熔体在压力下的挤出过程，用流变仪可以测定熔体在手细管中的剪切应力和剪切速率的关系，直接观察挤出物的外形，通过改变长径比来研究熔体的弹性和不稳定流动，测定聚合物的状态变化等。对聚合物流变性能的研究，不仅可为加工提供最佳的工艺条件，为塑料机械设计参数提供数据，而且可在材料选择、原料改性方面获得有关结构和分子参数等有用的数据。所以，聚合物流变学已成为塑料成型加工工艺的理论基础之一。目前用来研究聚合物流变性能的仪器主要有三种：落球式粘度计，转动式流变仪，毛细管流变仪。由于毛细管流变仪测定熔体的剪切速率范围较宽（j=10'～10°s)，所以用得较多。聚合物在料筒中被加热熔融后，在一定负荷作用下，面积为1cm2的柱塞将聚合物熔体经由毛细管挤出，通过位移测量由电子记录仪自动记录挤出速度，另一记录笔同时记录温度。经过计算，可以求得剪切应力、剪切速率和粘度的关系以及力学状态变化（软化点、熔融点和流动点）。本实验使用XLY-II型挤压式毛细管流变仪，仪器原理如图8-1所示。加压系统位移测量记录仪测温1柱塞料筒加热体加热丝毛细管控温螺母1图8-1毛细管式流变仪原理图
实验 8 用毛细管流变仪测定聚合物熔体的流变性能 当温度处于流动温度（或熔点）与分解温度之间时，线型聚合物呈现粘流态，成为熔体。绝 大多数线型聚合物的成型加工都是在熔融态进行的，特别是热塑性塑料的加工。例如，树脂要加 热到粘流温度以上才能模塑、挤出、吹塑、浇注薄膜、注射成型或者熔融纺丝等，即必须通过物 料的粘性流动来实现。因此，研究聚合物熔体的流变性是正确进行加工成型的重要理论基础。 一、实验目的 1. 了解聚合物的流变行为及其重要性。 2. 掌握使用挤压式毛细管流变仪测量聚合物流变特性的方法。 3. 测定聚丙烯的流动曲线和表观粘度与剪切速率的依赖关系。 二、实验原理 高分子聚合物流变行为的测定，对加工及合成都是极其重要的。因为对聚合物进行成型加工 时一般都包括一个熔体在压力下的挤出过程，用流变仪可以测定熔体在毛细管中的剪切应力和剪 切速率的关系，直接观察挤出物的外形，通过改变长径比来研究熔体的弹性和不稳定流动，测定 聚合物的状态变化等。对聚合物流变性能的研究，不仅可为加工提供最佳的工艺条件，为塑料机 械设计参数提供数据，而且可在材料选择、原料改性方面获得有关结构和分子参数等有用的数据。 所以，聚合物流变学已成为塑料成型加工工艺的理论基础之一。 目前用来研究聚合物流变性能的仪器主要有三种：落球式粘度计，转动式流变仪，毛细管流 变仪。由于毛细管流变仪测定熔体的剪切速率范围较宽（ γ =101～106 s），所以用得较多。 聚合物在料筒中被加热熔融后，在一定负荷作用下，面积为 1cm2 的柱塞将聚合物熔体经由 毛细管挤出，通过位移测量由电子记录仪自动记录挤出速度，另一记录笔同时记录温度。经过计 算，可以求得剪切应力、剪切速率和粘度的关系以及力学状态变化（软化点、熔融点和流动点）。 本实验使用 XLY-Ⅱ型挤压式毛细管流变仪，仪器原理如图 8-1 所示。 图 8-1 毛细管式流变仪原理图 加压系统 位移测量 记 录 仪 测 温 柱塞 料筒 加热体 加热丝 毛细管 控温 螺母
由该流变仪可测得熔体通过毛细管的挤出速度v（如图8-2记录的流动速率曲线所示）。AhV=(1)At式中h一一曲线任一段直线部分的横坐标变化量，cm；一曲线任一段直线部分的纵坐标变化量，S。A-?+AtAhh(柱塞下降量)/cm图8-2流动速率曲线熔体在管中的体积流率（流量）可用下式求得：Ah,Q=vxS=xS(2)At式中Q为流量（或体积流率，cm/s）；S为料筒横截面积（cm2）。根据熔体在毛细管中流动力平衡原理可有下列公式AP.R(3)Tw=2L4FAP=(4)元d,对于牛顿流体：=40(5)元R3Tw-AP·元·R4na =-x9.807x104(6)8Q·Lw一毛细管壁上的剪切应力，kg/cm2：式中w-一毛细管壁上的剪切速率，s-；-na——表观粘度，Pa-s;AP-一毛细管两端压力差，kg/cm2；R——毛细管半径，cm;L一毛细管长度，cm；F—负荷，kg;dp—活塞杆直径，cm。绝大多数聚合物熔体属于非牛顿流体，其粘度随剪切速率或剪切应力变化而改变，即剪切应力与剪切速率不呈直线关系，式(5)和式(6)是假设熔体为牛顿流体时推导出的结果，因此，必须对
由该流变仪可测得熔体通过毛细管的挤出速度 v（如图 8-2 记录的流动速率曲线所示）。 t h v (1) 式中 h ——曲线任一段直线部分的横坐标变化量，cm； t ——曲线任一段直线部分的纵坐标变化量，s。 熔体在管中的体积流率（流量）可用下式求得： S t h Q v S (2) 式中 Q 为流量（或体积流率，cm 3 /s）；S 为料筒横截面积（cm 2）。 根据熔体在毛细管中流动力平衡原理可有下列公式 L P R 2 w (3) 2 π p 4 d F P (4) 对于牛顿流体： w 3 π 4 R Q (5) 4 4 w w 9.807 10 8 π Q L P R a (6) 式中 w ——毛细管壁上的剪切应力，kg/cm2 ； w γ ——毛细管壁上的剪切速率，s –1 ； a ——表观粘度，Pa·s； P——毛细管两端压力差，kg/cm2 ； R ——毛细管半径，cm； L ——毛细管长度，cm； F ——负荷，kg； dp ——活塞杆直径，cm。 绝大多数聚合物熔体属于非牛顿流体，其粘度随剪切速率或剪切应力变化而改变，即剪切应 力与剪切速率不呈直线关系，式(5)和式(6)是假设熔体为牛顿流体时推导出的结果，因此，必须对 t h (柱塞下降量)/cm 图 8-2 流动速率曲线 h t
公式进行修正。经过推导可以得到以下公式：3n +1修=jw(7)4n式中n为非牛顿指数，它是lgtw～lgw流动曲线的斜率。当n=1时，为牛顿流体；n1时为膨胀性流体。熔体在毛细管中由大直径料筒进入小直径的毛细管时要产生较大的压力降（称为“入口效应”），此压力降将大于熔体在毛细管中作稳定流动时的压力降。在毛细管直径相同的情况下，L愈短压力降影响愈大。因此，增大毛细管的长径比LR，可以减小压力降影响的程度。实验表明，当使用L/R=80时可以不进行入口效应的校正。三、实验仪器结构本实验所用仪器由加压系统、加热系统、控制系统和记录系统组成。1.加压系统本实验仪器为恒压式流变仪，加压系统是一个1:10的杠杆机构（如图8-3所示），当加一较小的负荷时，可获得较大的工作压力。导向杆行程为20mm，与位移传感器固联，可以测量导向杆的行程。导向轴承为直线轴承，导向精度高、摩擦小。支承为液支承，当支承抬起杠杆时，放油把手应右旋拧紧，上下搬动压油杠，杠杆即被抬起；当放下支承时，放油把手左旋拧动，支承自动下落，下落距离可由放油把手控制，使其停止只需右旋拧紧放油把手。导向杆杠柱支承导向轴承中压头放油把手/负荷托盘图8-3加压系统原理图2.加热系统被测聚合物在加热炉的料筒内被加热熔融，通过装在炉体内的毛细管被挤出。3.控制系统XLY-Ⅱ型流变仪的控制系统为一独立结构，它能用作恒温、等速升温、温度定值及显示。4.记录系统由装在压头上的位移传感器做为传感元件，通过电子记录仪记录柱塞下降速率
公式进行修正。经过推导可以得到以下公式： n n γ γ 4 3 1 w w 修 (7) 式中 n 为非牛顿指数，它是 lgw～lg W 流动曲线的斜率。当 n＝1 时，为牛顿流体；n 1 时为膨胀性流体。 熔体在毛细管中由大直径料筒进入小直径的毛细管时要产生较大的压力降（称为“入口效 应”），此压力降将大于熔体在毛细管中作稳定流动时的压力降。在毛细管直径相同的情况下，L 愈短压力降影响愈大。因此，增大毛细管的长径比 L/R，可以减小压力降影响的程度。实验表明， 当使用 L/R＝80 时可以不进行入口效应的校正。 三、实验仪器结构 本实验所用仪器由加压系统、加热系统、控制系统和记录系统组成。 1. 加压系统 本实验仪器为恒压式流变仪，加压系统是一个 1:10 的杠杆机构（如图 8-3 所示），当加一较 小的负荷时，可获得较大的工作压力。 导向杆行程为 20mm，与位移传感器固联，可以测量导向杆的行程。导向轴承为直线轴承， 导向精度高、摩擦小。支承为液支承，当支承抬起杠杆时，放油把手应右旋拧紧，上下搬动压油 杠，杠杆即被抬起；当放下支承时，放油把手左旋拧动，支承自动下落，下落距离可由放油把手 控制，使其停止只需右旋拧紧放油把手。 2. 加热系统 被测聚合物在加热炉的料筒内被加热熔融，通过装在炉体内的毛细管被挤出。 3. 控制系统 XLY-Ⅱ型流变仪的控制系统为一独立结构，它能用作恒温、等速升温、温度定值及显示。 4. 记录系统 由装在压头上的位移传感器做为传感元件，通过电子记录仪记录柱塞下降速率。 导向杆 压油杆 压头 杠杆 支承 导向轴承 放油把手 负荷托盘 图 8-3 加压系统原理图
四、实验步骤1.接通电源，打开控制仪的电源开关，指示灯亮，电流表指零，数显全部为零（如不为零，先清一次零）。2.把1×40的毛细管置于螺母内，然后把螺母拧入炉体内。3.把测温热电偶插入加热体测温孔内。将升降按扭置于“升”的位置，根据要求选好温度定值，并将升温速度选快键。按启动扭，开始升温。数显表示温度值，其值达到预选值时，停止升温。电流表稳定在0.3A～0.5A时表示恒温。4.开启记录仪，按下温度记录笔，以观察温度曲线。5.恒温5min后，称取2g聚丙烯（J1300）颗粒，用漏斗装入料筒内，装上柱塞用手先预压一下，并使柱塞和压头对正。按要求压力挂上负荷，预压一下，左旋扭动放油把手，压头下压，随后右旋，搬动压油杆，使压头上升，反复两次，将物料压实。抬起压头后调节调整螺母，使压头与柱塞压紧。装料压实后保温10min，同时选好记录速度，保温后左旋拧动放油把手，压杆下压，同时开启记录仪，至压杆到底。6.右旋紧放油把手，搬动压油杆，抬起压头，将炉体拔出，取出柱塞。拔出测温热电偶，右旋紧放油把手，搬动压油杆，抬起压头将加热炉转出来，柠下螺母。用清料杆清理料筒和毛细管。7.适当选择3～4种负荷值，重复第46步骤，测出3~4点数据。8.实验完毕，将升降按扭置于“降”的位置，拨动一下定值拨盘，使定值改变为任一值，按启动电源，当数值显示零时，控制电桥中的多圈电位达到零的位置，关机停止实验，并清理料筒和毛细管，卸下全部负荷。整理好其它实验用具。五、实验数据及实验结果1.根据公式计算出各负荷条件下的tw、w和na，并列成表。2.用算术坐标纸和双对数坐标纸绘制剪切应力与剪切速率关系图，并求出非牛顿指数n值。3.用双对数坐标纸绘制表观粘度与剪切速率关系图。4.根据流动曲线图及n值分析所测聚合物熔体的流变性质。六、思考题及实验结果讨论1.用毛细管流变仪测定聚合物熔体粘度的原理是什么？2.聚合物熔体的粘度受哪些因素的影响？影响趋势如何？3.聚合物熔体流变性能的好坏可用哪些物理量来表征？4.实验过程中应注意的问题有哪些？注意事项：1.每次实验完毕后要将加热炉旋转出来进行清理。把毛细管卸下，恢复原状。2.在升温过程中若遇到电源忽断，数显中数字为零，如果此时要继续升温，数显中数字已不再是炉体温度，这时应将已升温度按降温法退回，再重新升温。3.抬起杠杆时，搬动压油杆应注意，当杠杆到达顶端时，不能再搬动压油杆，防止损坏杠杆。4.清理时应戴上手套，防止烫伤。参考文献1北京大学化学系高分子教研室编高分子实验与专论，北京：北京大学出版社，1990
四、实验步骤 1. 接通电源，打开控制仪的电源开关，指示灯亮，电流表指零，数显全部为零（如不为零， 先清一次零）。 2. 把 1×40 的毛细管置于螺母内，然后把螺母拧入炉体内。 3. 把测温热电偶插入加热体测温孔内。将升降按扭置于“升”的位置，根据要求选好温度定 值，并将升温速度选快键。按启动扭，开始升温。数显表示温度值，其值达到预选值时，停止升 温。电流表稳定在 0.3A～0.5A 时表示恒温。 4. 开启记录仪，按下温度记录笔，以观察温度曲线。 5. 恒温 5min 后，称取 2g 聚丙烯（J1300）颗粒，用漏斗装入料筒内，装上柱塞用手先预压 一下，并使柱塞和压头对正。按要求压力挂上负荷，预压一下，左旋扭动放油把手，压头下压， 随后右旋，搬动压油杆，使压头上升，反复两次，将物料压实。抬起压头后调节调整螺母，使压 头与柱塞压紧。装料压实后保温 10min，同时选好记录速度，保温后左旋拧动放油把手，压杆下 压，同时开启记录仪，至压杆到底。 6. 右旋紧放油把手，搬动压油杆，抬起压头，将炉体拔出，取出柱塞。拔出测温热电偶，右 旋紧放油把手，搬动压油杆，抬起压头将加热炉转出来，拧下螺母。用清料杆清理料筒和毛细管。 7. 适当选择 3～4 种负荷值，重复第 4～6 步骤，测出 3～4 点数据。 8. 实验完毕，将升降按扭置于“降”的位置，拨动一下定值拨盘，使定值改变为任一值，按 启动电源，当数值显示零时，控制电桥中的多圈电位达到零的位置，关机停止实验，并清理料筒 和毛细管，卸下全部负荷。整理好其它实验用具。 五、实验数据及实验结果 1. 根据公式计算出各负荷条件下的w、 W 和a，并列成表。 2. 用算术坐标纸和双对数坐标纸绘制剪切应力与剪切速率关系图，并求出非牛顿指数 n 值。 3. 用双对数坐标纸绘制表观粘度与剪切速率关系图。 4. 根据流动曲线图及 n 值分析所测聚合物熔体的流变性质。 六、思考题及实验结果讨论 1. 用毛细管流变仪测定聚合物熔体粘度的原理是什么？ 2. 聚合物熔体的粘度受哪些因素的影响？影响趋势如何？ 3. 聚合物熔体流变性能的好坏可用哪些物理量来表征？ 4. 实验过程中应注意的问题有哪些？ 注意事项： 1. 每次实验完毕后要将加热炉旋转出来进行清理。把毛细管卸下，恢复原状。 2. 在升温过程中若遇到电源忽断，数显中数字为零，如果此时要继续升温，数显中数字已不 再是炉体温度，这时应将已升温度按降温法退回，再重新升温。 3. 抬起杠杆时，搬动压油杆应注意，当杠杆到达顶端时，不能再搬动压油杆，防止损坏杠杆。 4. 清理时应戴上手套，防止烫伤。 参考文献 1 北京大学化学系高分子教研室 编. 高分子实验与专论. 北京：北京大学出版社，1990
王贵恒编高分子材料成型加工原理，北京：化学工业出版社，1982Z3金日光，华幼卿主编.高分子物理（第二版），北京：化学工业出版社，2000.金日光主编：聚合物流变学及其在加工中的应用。北京：化学工业出版社，1986?
2 王贵恒 编. 高分子材料成型加工原理. 北京：化学工业出版社，1982. 3 金日光，华幼卿 主编. 高分子物理（第二版）. 北京：化学工业出版社，2000. 5 金日光 主编. 聚合物流变学及其在加工中的应用. 北京：化学工业出版社，1986