实验7高聚物熔融指数的测定线型高聚物在一定温度和一定压力的作用下具有流动性，这是高聚物成型加工的依据，例如，许多塑料可以采用模压、吹塑、注射、挤出成型等方法进行成型加工，而合成纤维可以进行熔融纺丝。通常，在利用高聚物的熔融态进行成型加工时，其流动性好坏是必须考虑的一个重要因素。而熔融高聚物的流动性好坏常常采用熔融指数来表示。由于熔融指数的测定方法及其设备简便易行，在工业上应用较为广泛。本实验利用熔融指数测定仪来测定热塑性高聚物的熔融指数。一、实验目的1.了解熔融指数测定仪的构造及其使用方法。2.了解热塑性高聚物流变性能在理论研究和生产实践上的意义。3.掌握测定高聚物熔融指数的方法，并测出聚乙烯的熔融指数。二、实验原理熔融指数（MI）是指热塑性高聚物的熔体在一定温度、一定压力下，于一定时间内通过一定长度、一定孔径的毛细管的质量，通常采用g/10min表示。一般是采用标准的熔融指数测定仪来测定高聚物的熔融指数。衡量熔融高聚物流动性好坏的指标有多种，熔融指数是其中之一。在一定条件下熔融高聚物的熔融指数越大，则说明其流动性越好。对于结构一定的高聚物来讲，相对分子质量越小时，其熔体的流动性越好，熔融指数越高；反之，相对分子质量越大时，熔融指数越低。因此，当高聚物的结构一定时，其熔融指数的大小也可以反映出其相对分子质量的大小。而对于结构不同的高聚物则不能用熔融指数来比较流动性的好坏，这是因为结构不同的高聚物具有高低不同的流动温度，且流动性随温度的变化也不同，因而在测定其熔融指数时所采用的温度、压力等条件也不相同。即使是对于同一种高聚物，若结构不同时（如：支化度不同），也不能用熔融指数来反映其相对分子质量的高低。对于结构一定的高聚物，由于其熔融指数与相对分子质量之间有一定的关系，因此，可以利用熔融指数来指导高聚物的合成工作。在塑料成型加工中，高聚物熔体的流动性如何直接影响到加工出的制品的质量好坏，加工温度与熔体流动性之间的关系可以通过测定不同温度下的熔融指数来反映。然而，对于一定的高聚物来讲，只有当测定熔融指数的条件与实际成型加工的条件相近时，熔融指数与温度的关系才能应用到实际生产中，而通常测定熔融指数的条件下，熔体的剪切速率约在10-2～10's"范围内，远比注射、挤出成型时的剪切速率（102～104s-l）要小，因此，对于某种热塑性高聚物，只有当熔融指数与加工条件、产品性能从经验上联系起来之后，它才具有较大的实际意义。由于熔融指数的测定简便易行，它对于高聚物成型加工中材料的选择和适用性仍有着一定的参考价值。不同用途和不同的加工方法，对于高聚物的熔融指数有着不同的要求，例如，一般情况下要求注射成型的高聚物有较高的熔融指数。熔融指数测定仪是一种简单的毛细管式的、在低切变速率下工作的仪器。国产各种型号的熔融指数测定仪虽有一些区别，但都是由主体和加热控制系统两部分组成。加热控制系统可自动将主体料筒内的温度控制在所设定的温度范围，要求温度波动维持在0.8℃以内。主体部分如图7-1
实验 7 高聚物熔融指数的测定 线型高聚物在一定温度和一定压力的作用下具有流动性，这是高聚物成型加工的依据，例如， 许多塑料可以采用模压、吹塑、注射、挤出成型等方法进行成型加工，而合成纤维可以进行熔融 纺丝。通常，在利用高聚物的熔融态进行成型加工时，其流动性好坏是必须考虑的一个重要因素。 而熔融高聚物的流动性好坏常常采用熔融指数来表示。由于熔融指数的测定方法及其设备简便易 行，在工业上应用较为广泛。本实验利用熔融指数测定仪来测定热塑性高聚物的熔融指数。 一、实验目的 1. 了解熔融指数测定仪的构造及其使用方法。 2. 了解热塑性高聚物流变性能在理论研究和生产实践上的意义。 3. 掌握测定高聚物熔融指数的方法，并测出聚乙烯的熔融指数。 二、实验原理 熔融指数（MI）是指热塑性高聚物的熔体在一定温度、一定压力下，于一定时间内通过一定 长度、一定孔径的毛细管的质量，通常采用 g/10min 表示。一般是采用标准的熔融指数测定仪来 测定高聚物的熔融指数。 衡量熔融高聚物流动性好坏的指标有多种，熔融指数是其中之一。在一定条件下熔融高聚物 的熔融指数越大，则说明其流动性越好。对于结构一定的高聚物来讲，相对分子质量越小时，其 熔体的流动性越好，熔融指数越高；反之，相对分子质量越大时，熔融指数越低。因此，当高聚 物的结构一定时，其熔融指数的大小也可以反映出其相对分子质量的大小。而对于结构不同的高 聚物则不能用熔融指数来比较流动性的好坏，这是因为结构不同的高聚物具有高低不同的流动温 度，且流动性随温度的变化也不同，因而在测定其熔融指数时所采用的温度、压力等条件也不相 同。即使是对于同一种高聚物，若结构不同时（如：支化度不同），也不能用熔融指数来反映其 相对分子质量的高低。 对于结构一定的高聚物，由于其熔融指数与相对分子质量之间有一定的关系，因此，可以利 用熔融指数来指导高聚物的合成工作。在塑料成型加工中，高聚物熔体的流动性如何直接影响到 加工出的制品的质量好坏，加工温度与熔体流动性之间的关系可以通过测定不同温度下的熔融指 数来反映。然而，对于一定的高聚物来讲，只有当测定熔融指数的条件与实际成型加工的条件相 近时，熔融指数与温度的关系才能应用到实际生产中，而通常测定熔融指数的条件下，熔体的剪 切速率约在 10–2～101 s –1 范围内，远比注射、挤出成型时的剪切速率（102～104 s –1）要小，因此， 对于某种热塑性高聚物，只有当熔融指数与加工条件、产品性能从经验上联系起来之后，它才具 有较大的实际意义。由于熔融指数的测定简便易行，它对于高聚物成型加工中材料的选择和适用 性仍有着一定的参考价值。不同用途和不同的加工方法，对于高聚物的熔融指数有着不同的要求， 例如，一般情况下要求注射成型的高聚物有较高的熔融指数。 熔融指数测定仪是一种简单的毛细管式的、在低切变速率下工作的仪器。国产各种型号的熔 融指数测定仪虽有一些区别，但都是由主体和加热控制系统两部分组成。加热控制系统可自动将 主体料筒内的温度控制在所设定的温度范围，要求温度波动维持在 0.8℃以内。主体部分如图 7-1
所示。其料筒的加热器由两组加热元件组成，一组加热元件用来供给料筒处于设定温度所需90%的热量，电流供给是连续式的：另一组加热元件用来供给维持筒内温度处于设定温度波动范围内所需的热量。码的质量负荷通过活塞杆作用在料筒中高聚物熔融试样上，并将高聚物熔体从手细管压出。测试时每隔一定间隔时间用切刀切取从毛细管流出的高聚物熔体样条，并称量其质量，就可求得高聚物的熔融指数。码绝缘体内套活塞杆导套加热器炉体耐热土活塞杆头料筒测温热电偶控温热电偶炉盖石棉板m.毛细管D手轮托盘刀轮刀架切刀图7-1熔融指数测定仪的主体结构由于高聚物熔体具有弹性流变效应，使得流出毛细管的高聚物熔体样条的直径大于毛细管本身的孔径，这就是挤出物胀大现象。在测定高聚物熔融指数的同时，也可测得其挤出膨胀比及挤出膨胀率的数据，该数据对于高聚物成型加工中的制品尺寸控制非常重要。三、实验仪器和试剂1套熔融指数测定仪及其配件1 台JN-A型精密扭力天平小天平1 台温度计（0~300℃）1支游标卡尺1 把秒表1只镊子1 把若干圆形滤纸纱布若干若干高压聚乙烯（粒料）四、实验步骤1.选择测试条件（1）测试时所用的高聚物试样用量及其合适的切样间隔时间，要根据具体的高聚物熔融指数
所示。其料筒的加热器由两组加热元件组成，一组加热元件用来供给料筒处于设定温度所需 90％ 的热量，电流供给是连续式的；另一组加热元件用来供给维持筒内温度处于设定温度波动范围内 所需的热量。砝码的质量负荷通过活塞杆作用在料筒中高聚物熔融试样上，并将高聚物熔体从毛 细管压出。测试时每隔一定间隔时间用切刀切取从毛细管流出的高聚物熔体样条，并称量其质量， 就可求得高聚物的熔融指数。 由于高聚物熔体具有弹性流变效应，使得流出毛细管的高聚物熔体样条的直径大于毛细管本 身的孔径，这就是挤出物胀大现象。在测定高聚物熔融指数的同时，也可测得其挤出膨胀比及挤 出膨胀率的数据，该数据对于高聚物成型加工中的制品尺寸控制非常重要。 三、实验仪器和试剂 熔融指数测定仪及其配件 1 套 JN-A 型精密扭力天平 1 台 小天平 1 台 温度计（0～300℃） 1 支 游标卡尺 1 把 秒表 1 只 镊子 1 把 圆形滤纸 若干 纱布 若干 高压聚乙烯（粒料） 若干 四、实验步骤 1. 选择测试条件 ⑴ 测试时所用的高聚物试样用量及其合适的切样间隔时间，要根据具体的高聚物熔融指数 砝码 内套 炉体 导套 料筒 控温热电偶 炉盖 毛细管 刀轮 刀架 切刀 托盘 手轮 石棉板 测温热电偶 活塞杆头 加热器 耐热土 绝缘体 活塞杆 图 7-1 熔融指数测定仪的主体结构
大小范围来确定。在本实验后面的附表3-2-1中列出了熔融指数与试样用量及切样间隔时间的对应数据范围。在本实验中所用的毛细管直径为2.095mm，选取试样用量为4g、切样间隔时间为Imin左右的条件。（2）测试温度必须高于所测高聚物材料的流动温度，但也不能过高，否则易使材料发生热分解。而负荷的选择则要考虑高聚物熔体的粘度大小，对粘度较大的试样应采用较大的负荷：对粘度较小的试样应采用较小的负荷。在本实验后面的附表3-2-2中，列出了一些塑料熔融指数测定的标准条件。本实验中所用的高压聚乙烯熔体的粘度适中，可采用温度为190℃和负荷为2160g的测试条件。2.接通熔融指数测定仪的电源。把温度计插入圆筒上的温度计插孔中。将设定温度指针调到所选定温度的位置，此时电炉自动开始加热，待温度计读数接近于所选定的温度时，根据筒内实际温度指针与设定温度指针的相对位置差额再细微调节微调控温螺丝，直至温度计上的读数稳定在所选定的温度为止。3.当筒内温度稳定在所选定的温度190℃之后，取下温度计（若采用的是直角形温度计，可以不取下温度计，但须注意在操作中避免碰碎玻璃温度计）。把毛细管放入料筒内，并用压料杆将它压到筒底。把活塞杆放入料筒中，预热10min。4.在小天平上称取4g高压聚乙烯粒料。把活塞杆取出，通过漏斗将聚乙烯加入料筒中（注意不要让粒料卡在漏斗中或料筒口上），迅速用压料杆将料筒中的聚乙烯压实后，把活塞杆重新放入料筒中。预热约5min后，在活塞杆顶部装上所选定的础码（磁码质量加上活塞杆的质量等于2160g）。5.当聚乙烯熔体从料筒底部的毛细管不断流出，使活塞杆的位置下降达到活塞杆上的第一条刻线时，开始用切刀正式切取试样样条（在没有到达第一条刻线之前可以练习切取样条的技术）。切取至少5个合格的试样样条，切样的间隔时间均为1min左右，每个样条的准确切样时间1用秒表测定。在切取高聚物熔体样条的过程中，注意观察挤出物胀大现象。当到达活塞杆上的第二条刻线时，停止切样。6.待样条变硬后，选取5个没有气泡、较为平行的样条，在扭力天平上准确称出其质量m，并用游标卡尺测出其直径D。7.将料筒内剩余的熔体全部压出。此时，可对压出的长条状高聚物进行冷拉，观察其“细颈”的形成和发展过程。8.取出活塞杆和毛细管，趁热将它们擦干净：用预先缠好纱布的清料杆反复擦拭料筒内壁，直至筒壁清洁光亮为止。9.关闭熔融指数测定仪的电源。整理好所有的实验用品。五、实验数据及实验结果1.将所选择的测试条件记录如下：试样名称：毛细管孔径（Do）：mm:试样用量：负荷：g:g;筒内温度：℃;切样间隔时间：So2.将所测得的数据记录在下列形式的表格中，并按下式计算出每个样条的熔融指数M值取其平均值作为所测高聚物的MI值
大小范围来确定。在本实验后面的附表 3-2-1 中列出了熔融指数与试样用量及切样间隔时间的对 应数据范围。在本实验中所用的毛细管直径为 2.095mm，选取试样用量为 4g、切样间隔时间为 1min 左右的条件。 ⑵ 测试温度必须高于所测高聚物材料的流动温度，但也不能过高，否则易使材料发生热分 解。而负荷的选择则要考虑高聚物熔体的粘度大小，对粘度较大的试样应采用较大的负荷；对粘 度较小的试样应采用较小的负荷。在本实验后面的附表 3-2-2 中，列出了一些塑料熔融指数测定 的标准条件。本实验中所用的高压聚乙烯熔体的粘度适中，可采用温度为 190℃和负荷为 2160 g 的 测试条件。 2. 接通熔融指数测定仪的电源。把温度计插入圆筒上的温度计插孔中。将设定温度指针调到 所选定温度的位置，此时电炉自动开始加热，待温度计读数接近于所选定的温度时，根据筒内实 际温度指针与设定温度指针的相对位置差额再细微调节微调控温螺丝，直至温度计上的读数稳定 在所选定的温度为止。 3. 当筒内温度稳定在所选定的温度 190℃之后，取下温度计（若采用的是直角形温度计，可 以不取下温度计，但须注意在操作中避免碰碎玻璃温度计）。把毛细管放入料筒内，并用压料杆 将它压到筒底。把活塞杆放入料筒中，预热 10min。 4. 在小天平上称取 4g 高压聚乙烯粒料。把活塞杆取出，通过漏斗将聚乙烯加入料筒中（注 意不要让粒料卡在漏斗中或料筒口上），迅速用压料杆将料筒中的聚乙烯压实后，把活塞杆重新 放入料筒中。预热约 5min 后，在活塞杆顶部装上所选定的砝码（砝码质量加上活塞杆的质量等 于 2160g）。 5. 当聚乙烯熔体从料筒底部的毛细管不断流出，使活塞杆的位置下降达到活塞杆上的第一条 刻线时，开始用切刀正式切取试样样条（在没有到达第一条刻线之前可以练习切取样条的技术）。 切取至少 5 个合格的试样样条，切样的间隔时间均为 1min 左右，每个样条的准确切样时间 t 用秒 表测定。在切取高聚物熔体样条的过程中，注意观察挤出物胀大现象。当到达活塞杆上的第二条 刻线时，停止切样。 6. 待样条变硬后，选取 5 个没有气泡、较为平行的样条，在扭力天平上准确称出其质量 m， 并用游标卡尺测出其直径 D。 7. 将料筒内剩余的熔体全部压出。此时，可对压出的长条状高聚物进行冷拉，观察其“细颈” 的形成和发展过程。 8. 取出活塞杆和毛细管，趁热将它们擦干净；用预先缠好纱布的清料杆反复擦拭料筒内壁， 直至筒壁清洁光亮为止。 9. 关闭熔融指数测定仪的电源。整理好所有的实验用品。 五、实验数据及实验结果 1. 将所选择的测试条件记录如下： 试样名称： ； 毛细管孔径（D0）： mm； 试样用量： g； 负荷：_ g； 筒内温度： ℃； 切样间隔时间： s。 2. 将所测得的数据记录在下列形式的表格中，并按下式计算出每个样条的熔融指数 MI 值， 取其平均值作为所测高聚物的 MI 值
MI=m×600(g/10min)t切取的样条编号2345平均值1样条质量mlg切样时间t/s样条直径D/mmMI /g-(10min)-!3.用测得的样条直径平均值D，按下式计算挤出膨胀比和挤出膨胀率：DD -Do×100% 。挤出膨胀比=挤出膨胀率二DoD。六、思考题及实验结果讨论1.熔融指数的定义是什么？是否所有的高聚物都可以有MI值？2.测定高聚物的熔融指数有何实际意义？影响MI值测定结果的因素有哪些？3.在把高聚物试样放入料筒中后，为什么要用压料杆将其压实？4.为什么高聚物熔体样条在刚流出毛细管时呈透明状，而后又逐渐变白（不透明）？其间高聚物经过了哪些状态转变？5.冷拉聚乙烯试样时，为什么会出现“细颈”现象？细颈部分为什么比其它部分要透明些？6.本实验所得结果是否令人满意？实验中出现了什么问题？其原因可能是什么？注意事项：1.由于加热后料筒口部的温度较高，而漏斗又是易导热的金属制品，在往料筒中加料时，若让聚乙烯粒料堆积在漏斗中或漏撒在料简口部，则粒料很容易在筒口处就熔融了，从而堵塞筒口，使加料不顺：同时，粘附在筒壁上的熔体也会给测试中活塞杆的传力作用带来一定的阻力影响，使测定结果出现较大误差。因此，加料时一定要使聚乙烯粒料呈细流状快速地流入料筒中。2.在加料、切样、清理等操作过程中要戴上手套，以防烫伤。3.实验后一定要将毛细管、活塞杆、料筒内壁上粘附的高聚物熔体趁热清理干净，否则会影响下一次的测定结果。4.不同厂家生产的熔融指数测定仪有所不同，有的仪器主体中安置的是可以取出的料筒，而有的仪器主体中的料筒不能取出来，对于这两种仪器，实验操作基本一样，只是在实验完毕后清理仪器这一步上略有不同。对于可以取出的料筒，在清理时要热取出料筒（连同毛细管和活塞杆一起取出），再迅速推出活塞杆和毛细管，把它们都擦拭干净；而对于不可取出的料筒，则是直接从主体中拉出活塞杆，并用压料杆从筒底向上顶出毛细管，把它们擦拭干净。可以取出的料筒在取出后比处于主体中更容易冷却，因此，清理时动作要更为迅速一些；将料筒擦拭干净后，再把料筒重新安装在主体中。参考文献1北京大学化学系高分子化学教研室编，高分子物理实验，北京：北京大学出版社，19832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
t m MI 600 （g/10min） 切取的样条编号 1 2 3 4 5 平均值 样条质量 m/g 切样时间 t/s 样条直径 D/mm MI /g(10min) –1 3. 用测得的样条直径平均值 D ，按下式计算挤出膨胀比和挤出膨胀率： 挤出膨胀比＝ D0 D ； 挤出膨胀率＝ 100% 0 0 D D D 。 六、思考题及实验结果讨论 1. 熔融指数的定义是什么？是否所有的高聚物都可以有 MI 值？ 2. 测定高聚物的熔融指数有何实际意义？影响 MI 值测定结果的因素有哪些？ 3. 在把高聚物试样放入料筒中后，为什么要用压料杆将其压实？ 4. 为什么高聚物熔体样条在刚流出毛细管时呈透明状，而后又逐渐变白（不透明）？其间高 聚物经过了哪些状态转变？ 5. 冷拉聚乙烯试样时，为什么会出现“细颈”现象？细颈部分为什么比其它部分要透明些？ 6. 本实验所得结果是否令人满意？实验中出现了什么问题？其原因可能是什么？ 注意事项： 1. 由于加热后料筒口部的温度较高，而漏斗又是易导热的金属制品，在往料筒中加料时，若 让聚乙烯粒料堆积在漏斗中或漏撒在料筒口部，则粒料很容易在筒口处就熔融了，从而堵塞筒口， 使加料不顺；同时，粘附在筒壁上的熔体也会给测试中活塞杆的传力作用带来一定的阻力影响， 使测定结果出现较大误差。因此，加料时一定要使聚乙烯粒料呈细流状快速地流入料筒中。 2. 在加料、切样、清理等操作过程中要戴上手套，以防烫伤。 3. 实验后一定要将毛细管、活塞杆、料筒内壁上粘附的高聚物熔体趁热清理干净，否则会影 响下一次的测定结果。 4. 不同厂家生产的熔融指数测定仪有所不同，有的仪器主体中安置的是可以取出的料筒，而 有的仪器主体中的料筒不能取出来，对于这两种仪器， 实验操作基本一样，只是在实验完毕后 清理仪器这一步上略有不同。对于可以取出的料筒，在清理时要趁热取出料筒（连同毛细管和活 塞杆一起取出），再迅速推出活塞杆和毛细管，把它们都擦拭干净；而对于不可取出的料筒，则 是直接从主体中拉出活塞杆，并用压料杆从筒底向上顶出毛细管，把它们擦拭干净。可以取出的 料筒在取出后比处于主体中更容易冷却，因此，清理时动作要更为迅速一些；将料筒擦拭干净后， 再把料筒重新安装在主体中。 参考文献 1 北京大学化学系高分子化学教研室 编. 高分子物理实验. 北京：北京大学出版社，1983. 2 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
何曼君，陈维孝，董西侠编，高分子物理（修订版）：上海：复旦大学出版社，19905
3 何曼君，陈维孝，董西侠 编. 高分子物理（修订版）. 上海：复旦大学出版社，1990