幼CMSE束手大学材阳科学与工程学院流变测试高分子材料物理化学实验讲义毛细管流变仪测定高聚物熔体的流动特性一、实验目的高分子材料除了在浓溶液状态下成形加工以外，在很多情况下是熔融状态加工的。例如合成纤维的熔融纺丝和热塑性塑料的挤出、吹塑注射成形等。因此，了解聚合物熔体的流动特性，对于合理的选择和控制成形工艺是十分重要的，英制Instron3211毛细管流变仪是一种活塞式毛细管流变仪，能较精确的用于测定高聚物的流动特性。通过本实验应达到以下目的：1、掌握用毛细管流变仪测定高聚物熔体流动特性的方法和基本原理；2、了解Instron3211毛细管熔体流变仪的基本结构；lar3、了解流动曲线各组成部分和表观粘度的意义。at二、实验原理用毛细管流变仪可以方便的测定高聚物熔体的切应力αi和切变速率。由此可求得熔体粘度或做出它的流动曲线。1、管壁切应力的测定当高聚物熔体压经如图1所示的毛细管时，在稳态流体条件下，可认为流体某一体积元上所承受的压力与剪切力的大小相等。则有：APgm?=2mrLgoi(1)AP即：i=2187式中i为作用于半径处的切应力：AP为毛细管两端的压差。图1流体流过毛细管示意图在管壁处，因为r=R，如设管壁处的切应力为则：APROw=-(2)2Lc或APdc(3)a4L式中dc为毛细管直径：Lc为毛细管的长度，△P为流体流过毛细管长度Lc时所引起的压力降。在实验中有电于压力传感器可测出作用子压料杆上的力F，则：F-Ar-AP(4)式中Ar为压料杆上的截面积。F以△P=代入(3)式，则切应力可写成：ApF(5)aL4Ard
流变测试 高分子材料物理化学实验讲义 毛细管流变仪测定高聚物熔体的流动特性 一、实验目的 高分子材料除了在浓溶液状态下成形加工以外，在很多情况下是熔融状态加工的。例如合成纤 维的熔融纺丝和热塑性塑料的挤出、吹塑注射成形等。因此，了解聚合物熔体的流动特性，对于合 理的选择和控制成形工艺是十分重要的。 英制 Instron 3211 毛细管流变仪是一种活塞式毛细管流变仪，能较精确的用于测定高聚物的流动 特性。 通过本实验应达到以下目的： 1、掌握用毛细管流变仪测定高聚物熔体流动特性的方法和基本原理； 2、了解 Instron 3211 毛细管熔体流变仪的基本结构； 3、了解流动曲线各组成部分和表观粘度的意义。 二、实验原理 用毛细管流变仪可以方便的测定高聚物熔体的切应力 i 和切 变速率 。由此可求得熔体粘度或做出它的流动曲线。 1、管壁w切应力的测定 当高聚物熔体压经如图 1 所示的毛细管时，在稳态流体条件下， 可认为流体某一体积元上所承受的压力与剪切力的大小相等。则有： Pgr 2rLgi 2 = (1) 即： gr L P i 2 = 式中 i 为作用于半径 处的切应力；P 为毛细管两端的压差。 在管壁处，因为 r=R，如设管壁处的切应力为w则： C w L PR 2 = (2) 或 c C w L Pd 4 = (3) 式中 dC为毛细管直径；LC为毛细管的长度，P 为流体流过毛细管长度 LC时所引起的压力降。 在实验中有电于压力传感器可测出作用子压料杆上的力 F，则： F = ArP (4) 式中 Ar 为压料杆上的截面积。 以 AP F P = 代入(3)式，则切应力可写成： = C C w d L Ar F 4 (5) 图1 流体流过毛细管示意图
幼CMSE束手大学阳科学与工程学院流变测试高分子材料物理化学实验讲义切应力的单位通常表示为mN/m?牛顿流体在毛细管中流动时，具有抛物线的速度分布曲线。其平均流动线速度为：APR?(6)V=8Lcn在毛细管半径处r处的切变速度为：dvAPX3"ar"2Lengr在毛细管半径处(r-R)处的切变速度为：APgRYw=2Lcn以式(6)代入，则得：4v_8v(7)Y=Rdc流体流经毛细管的平均速度V是由十字头下降的速度VxH、储料管直径的db和毛细管直径之比d，来求得：(dbV_Vi..(8)gl60(d.式中：十字头下降速度VxH的单位在一起中表示为cm/min或英寸/min，因此直径的单位也相应用cm或英寸表示。本实验所用的3211型流变仪，其储料管直径为0.375英寸(9.525mm)。将式8)代入式(7)，就得到切变速率：-i(9)高聚物熔体一股为非牛顿流体，当其在毛细管内流动时，其速度分布曲线将偏离抛物线形，因而对其切变速率要进行校正。如以冥次率来描述高聚物熔体，则可求得关闭处的切变速率为：3n+18v(10)Y=4n.8.上述校正称为拉宾洛维奇（Rabinowitch）校正。式中：dlgo.(11)hs(8vd lg28V即以lgo对lg作图，其斜率为n，此n是衡量流体偏离牛顿流体程度的一个指标，故也d.称为非牛顿指数。由此，试验中对高聚物熔体流往毛细管时，其管壁处的切变速率经拉宾洛维奇校正后期计算式为：
流变测试 高分子材料物理化学实验讲义 切应力的单位通常表示为 mN/m2 牛顿流体在毛细管中流动时，具有抛物线的速度分布曲线。其平均流动线速度 v 为： Lc PR v 8 2 = (6) 在毛细管半径处 r 处的切变速度为： gr Lc P dr dv 2 = = 在毛细管半径处(r=R)处的切变速度w为： gR Lc P w 2 = 以式(6)代入，则得： dc v R v w 4 8 = = (7) 流体流经毛细管的平均速度 V 是由十字头下降的速度 VxH、储料管直径的 db 和毛细管直径之比 d，来求得： 2 60 = c xH b d d g V V (8) 式中：十字头下降速度 VxH的单位在一起中表示为 cm/min 或英寸/min，因此直径的单位也相应用 cm 或英寸表示。本实验所用的 3211 型流变仪，其储料管直径为 0.375 英寸(9.525mm)。将式(8)代入式 (7)，就得到切变速率： 3 2 15 2 c b w xH d d = V (9) 高聚物熔体一股为非牛顿流体，当其在毛细管内流动时，其速度分布曲线将偏离抛物线形，因 而对其切变速率要进行校正。如以冥次率来描述高聚物熔体，则可求得关闭处的切变速率为： c w d v g n n 8 4 3 1 + = (10) 上述校正称为拉宾洛维奇 (Rabinowitch) 校正。式中： = c w d v d d n 8 lg lg (11) 即以 w lg 对 dc 8v lg 作图，其斜率为 n，此 n 是衡量流体偏离牛顿流体程度的一个指标，故也 称为非牛顿指数。 由此，试验中对高聚物熔体流往毛细管时，其管壁处的切变速率经拉宾洛维奇校正后期计算式 为：
幼CMSE束手大学阳科学与工程学院流变测试高分子材料物理化学实验讲义d?23n+1(yw)校.gVxng(12):gd3154n式中：VxH十字头下降速度；db储料管直径；de毛细管直径：n非牛顿指数。在毛细管流变仪测定中，有时还需考虑在入口区和出口区引起速度分布及其压力梯度不稳定所引起的误差，通常称之为“末端效应”。L>80-般来说，随着毛细管长径比值的增大，末端校正因子值的影响逐渐减小。通常当R时，往往可将末端效应产生的影响忽略不计。所以本实验由于采用台80的毛细管，因此对测定R的剪切应力ow可不再进行校正。由切应力和切变速率可以求得表观粘度：Ow(13)n =(yw)校一般说，表观粘度随切变速率增加而下降。、Instron3211毛细管流变仪基本结构与原理本实验所采用的3211型毛细管熔体流变仪其基本结构如图2所示。速度选择M升降丝杆7变速装置★压力传感器驱动机构7压力指示表一压杆压力信号忙料管记录仪炉体7温度设定+温控装置保温层2|熔体温度信号?图2Instron3211毛细管流变仪结构示意图主要部分为加热炉体，炉体内装有一根储料管，储料管下端通过紧固螺帽可安装不同长径比的毛细管。炉体有基本加热和辅助加热两套加热装置，并通过控温装置控制料管恒温。控温范围为40~399°C，控温精度为土1°C。储料管再装入一定量的式样后，插入压杆。压杆上端有升降丝杆。丝杆的十字头上装有一压力传感器。测定时丝杆以一定速度下降，将压杆压入料管。作用于压杆上的力F则通过压力传感器将
流变测试 高分子材料物理化学实验讲义 ( ) 3 2 4 3 1 15 2 c b w xH d d gV g n n g + = 校 (12) 式中：VxH ——— 十字头下降速度； db ——— 储料管直径； dc ——— 毛细管直径； n ——— 非牛顿指数。 在毛细管流变仪测定中，有时还需考虑在入口区和出口区引起速度分布及其压力梯度不稳定所 引起的误差，通常称之为“末端效应”。 一般来说，随着毛细管长径比值的增大，末端校正因子 v 值的影响逐渐减小。通常当 80 R Lc 时，往往可将末端效应产生的影响忽略不计。所以本实验由于采用 80 R Lc 的毛细管，因此对测定 的剪切应力w可不再进行校正。 由切应力和切变速率可以求得表观粘度： ( ) w 校 w 0 = (13) 一般说，表观粘度随切变速率增加而下降。 一、Instron 3211 毛细管流变仪基本结构与原理 本实验所采用的 3211 型毛细管熔体流变仪其基本结构如图 2 所示。 压力指示表 速度选择 变速装置 驱动机构 记录仪 温度设定 温控装置 温度信号 压力信号 熔体 升降丝杆 压力传感器 压杆 贮料管 炉体 保温层 图 2 Instron 3211 毛细管流变仪结构示意图 主要部分为加热炉体，炉体内装有一根储料管，储料管下端通过紧固螺帽可安装不同长径比的 毛细管。炉体有基本加热和辅助加热两套加热装置，并通过控温装置控制料管恒温。控温范围为 40~399ºC，控温精度为±1ºC。 储料管再装入一定量的式样后，插入压杆。压杆上端有升降丝杆。丝杆的十字头上装有一压力 传感器。测定时丝杆以一定速度下降，将压杆压入料管。作用于压杆上的力 F 则通过压力传感器将
珍CMS束手大学材阳科学与工程学所流变测试高分子材料物理化学实验讲义信号经放大后送至记录仪记录，同时又送至压力指示表显示。压杆的升、降和变速有一套机械传动机构控制，速度稳定可靠。在右下侧控制面板上设有六档不同的速度选择按钮，当变速齿轮比为2:1时，其六档速度分别为20.0、6.0、2.0、0.6、0.2、0.06(cm/min)。若选用不同齿比的变速齿轮，则压杆下降速度可在更大的范围内变动。四、仪器和式样Imstron3211型毛细管流变仪：毛细管一只（选用D=1.27mm(0.05in)，L=50.8mm(2英寸）)：等规聚丙烯切片试样。五、实验步骤1、确定实验条件实验开始前需根据试样的类型选择毛细管的直径和长径比、入口角，选择实验符合的范围，储料管温度，压杆下降速度和储料管内试样的起始高度等。2、开启毛细管流变仪（1）开机前需检查驱动，预热和加热控制开关是否都已关掉，如已关上，则可接通电源。(2）在电源接通15rnin后，进行调整，调平衡和校正压力，测量系统，以保证稳定性。①调零：将系统接通记录仪，（或压力指示表）。零点按钮，使之在记录仪上指示在零点：因为压力测量系统线路可能处于非平衡状态。②调平衡：调节平衡旋钮，便记录仪（或压力指示指针）移到零点，锁上平衡控制旋钮。在调节平衡时应将测章范围设在最低区域，以保证最大的精确度。③校正：调节校正按钮，是符合度数表或记录仪指示在全量程的位置，锁住校正控制旋钮。校正调节须在每次实验前进行一次。（3）选定适当的压力测量范围。（4）将所用的毛细管用螺旋接头连接到储料管的地步。要适当的设定压杆行程的下限，以免损坏压杆。3、开启加热系统（1）拨动在加热控制面板上的温度设定按钮，设定所需要的炉温。(2）开启与加热系统和加热功率控制开关。(3）通过温度偏差指示仪表观察料管温度与设定温度的偏差，注意观察升温的情况。4、加料（1）待达到预定温度后，将使加料夹道储料管中，人约加至离料口约2.5cm左右为止。在装料时需压实以排除空气。每次加入少量，不断压实，要注意避免试样在管口熔融，使进一步加料困难。(2）加料后稍等3～5min，以保证物料到适当的温度。而后将压杆插入。5、测试（1）插入压杆后，将上端与压力传感器相接。(2）按驱动速度按钮在第一档速度，而后按下“Down”键，使压杆逐渐压入料管。(3）将选择的下降速度及在记录仪上所绘出的曲线，以供计算。（4）每种试样至少做六个速率，如一次加料不能做完，可重复加料。6、清理和关机（1）实验结束后，趁热拆下毛细管，用府绸或软纸将表面指拭干净。注意带好防护手套，避免烫伤。(2）用府绸或软纸清理料管和压杆，将残存的聚合物擦拭干净。（3）断开预加热系统和加热功率控制开关（4）断开机械驱动开关
流变测试 高分子材料物理化学实验讲义 信号经放大后送至记录仪记录，同时又送至压力指示表显示。 压杆的升、降和变速有一套机械传动机构控制，速度稳定可靠。在右下侧控制面板上设有六档 不同的速度选择按钮，当变速齿轮比为 2:1 时，其六档速度分别为 20.0、6.0、2.0、0.6、0.2、0.06(cm/min)。 若选用不同齿比的变速齿轮，则压杆下降速度可在更大的范围内变动。 四、仪器和式样 Imstron 3211 型毛细管流变仪；毛细管一只(选用 D＝1.27mm (0.05in)，L＝50.8mm(2 英寸))；等 规聚丙烯切片试样。 五、实验步骤 1、确定实验条件实验开始前需根据试样的类型选择毛细管的直径和长径比、入口角，选择实验 符合的范围，储料管温度，压杆下降速度和储料管内试样的起始高度等。 2、开启毛细管流变仪 (1) 开机前需检查驱动，预热和加热控制开关是否都已关掉，如已关上，则可接通电源。 (2) 在电源接通 15rnin 后，进行调整，调平衡和校正压力，测量系统，以保证稳定性。 ①调零：将系统接通记录仪，(或压力指示表)。揿零点按钮，使之在记录仪上指示在零点， 因为压力测量系统线路可能处于非平衡状态。 ②调平衡：调节平衡旋钮，使记录仪(或压力指示指针)移到零点，锁上平衡控制旋钮。在调 节平衡时应将测章范围设在最低区域，以保证最大的精确度。 ③校正：调节校正按钮，是符合度数表或记录仪指示在全量程的位置，锁住校正控制旋钮。 校正调节须在每次实验前进行一次。 (3) 选定适当的压力测量范围。 (4) 将所用的毛细管用螺旋接头连接到储料管的地步。要适当的设定压杆行程的下限，以免损坏 压杆。 3、开启加热系统 (1) 拨动在加热控制面板上的温度设定按钮，设定所需要的炉温。 (2) 开启与加热系统和加热功率控制开关。 (3) 通过温度偏差指示仪表观察料管温度与设定温度的偏差，注意观察升温的情况。 4、加料 (1) 待达到预定温度后，将使加料夹道储料管中，人约加至离料口约 2.5cm 左右为止。在装料时 需压实以排除空气。每次加入少量，不断压实，要注意避免试样在管口熔融，使进一步加料 困难。 (2) 加料后稍等 3～5min，以保证物料到适当的温度。而后将压杆插入。 5、测试 (1) 插入压杆后，将上端与压力传感器相接。 (2) 按驱动速度按钮在第一档速度，而后按下“Down”键，使压杆逐渐压入料管。 (3) 将选择的下降速度及在记录仪上所绘出的曲线，以供计算。 (4) 每种试样至少做六个速率，如一次加料不能做完，可重复加料。 6、清理和关机 (1) 实验结束后，趁热拆下毛细管，用府绸或软纸将表面揩拭干净。注意带好防护手套，避免烫 伤。 (2) 用府绸或软纸清理料管和压杆，将残存的聚合物擦拭干净。 (3) 断开预加热系统和加热功率控制开关。 (4) 断开机械驱动开关
CMSE东手大学材目科学与工程学院流变测试高分子材料物理化学实验讲义（5）断开电源功率开关。7、注意事项：在测试中需注意采用每一档压杆速度是不要超过相应的最大压杆负荷，否则会损坏压杆。压杆速度最大压杆负荷10/min2000kg20/min1000 kg40/min500 kg六、数据处理1、将实验所得数据按前节所述公式计算切变应力c和切变速率w。2、在双对数坐标纸上以lg,对lg作图，求出非牛顿指数n。3、按式(14)求出校正后的切变速率()校，再按式(13)求出表观粘度na。4、将n对(w)校作图，绘出该试样的流动曲线。5、所得数据可参照下表填写。数据处理表试样：测试温度：毛细管：直径de长度L：压料杆速度Vx(cm/min）压力F(N或kg)压降△p(pa或kg//cm2)表观切应力ow(mN/cm2或dyn/cm2)表观切变速率(s")校正后切变速率(w)(s)表观粘度(pa或p)七、思考题
流变测试 高分子材料物理化学实验讲义 (5) 断开电源功率开关。 7、注意事项：在测试中需注意采用每一档压杆速度是不要超过相应的最大压杆负荷，否则会损 坏压杆。 压杆速度 最大压杆负荷 10/min 2000kg 20/min 1000 kg 40/min 500 kg 六、数据处理 1、将实验所得数据按前节所述公式计算切变应力w和切变速率w。 2、在双对数坐标纸上以 w lg 对 w lg 作图，求出非牛顿指数 n。 3、按式(14)求出校正后的切变速率(w)校，再按式(13)求出表观粘度a。 4、将a对(w)校作图，绘出该试样的流动曲线。 5、所得数据可参照下表填写。 数据处理表 试样： 测试温度： 毛细管：直径 dc 长度 Lc： 压料杆速度 VxH(cm/min) 压力 F (N 或 kgf) 压降p (pa或 kgf/cm2 ) 表观切应力w (mN/cm2 或 dyn/cm2 ) 表观切变速率w(s-1 ) 校正后切变速率(w)(s-1 ) 表观粘度 (pa或 p) 七、思考题