流变学是研究植根于17岁以下的胡亚博老虎机网登录克和牛顿提出的弹性和粘度规律的材料的流动和变形的科学亚博网站下载TH.世纪。热塑性聚合物熔体广泛用于许多现代工业过程中以制造多种物体。
使用聚合物是因为它们在熔融状态下形成复杂形状相对便宜，因此，我们需要了解它们在加工时是如何流动的。
影响聚合物流变性的因素
聚合物是复杂的材料，以表征流变学，因为有许多影响其亚博网站下载流动性质的因素。影响流动行为的因素的例子可以包括：加工温度;流量;停留时间等
此外，聚合物的流变性质在液体和固体之间。这导致流动性和其他重要特征的时间依赖，其中一些在下面讨论。
熔体粘度及其温度依赖性
众所周知，熔体粘度严重依赖于温度。通过降低模具的温度，直到被生产的零件有亚光光洁度，处理器就可以知道在这个温度下，该工艺可以在没有明显表面缺陷的情况下进行。降低模具温度可以节约能源，减少循环次数，因此了解熔体粘度的温度依赖性是非常有用的。
模具膨胀或挤出物膨胀
众所周知，聚合物熔体在挤压时表现出模压膨胀。这种现象表现为出模后挤出物直径的增加。模具膨胀量与材料在模具入口的弹性变形量有关。
要考虑的另一个事实是模具膨胀程度（更正确挤出的溶胀）取决于在恒定产量下挤出材料时芯片的长度。换句话说，聚合物熔体表现依赖性，因为材料忘记了在模具的入口处施加的弹性变形，材料在模具内的时间越多，模具膨胀较少。
熔化弹性
熔融弹性也可以对许多其他聚合物方法产生深远的影响，例如：
•吹塑成型，吹塑部件的壁厚取决于模具关闭前的挤压过程中发生的膨胀程度。
•真空成形或热成形，其中聚合物必须保持一定的弹性，以防止材料在被真空拉过冷成型模具之前下垂。如果材料没有足够的弹性，它很可能在施加真空或压力之前与冷冻模具接触。
添加剂的浓度
聚合物加工性能还取决于润滑剂，增塑剂，填料和所处理的化合物中的其他组分的浓度。从这个简短的简要介绍，可以理解，聚合物熔体行为的适当表征可能需要复杂和多功能的仪器。
特征流动行为
从流变学家的观点来看，聚合物的流动特性可以很方便地分为三部分:以相应的粘度为特征的剪切流和伸展流，以及以模量或膨胀比的测量为特征的弹性流。
为了充分表征材料，需要仪器，其具有在一系列温度和剪切/延伸速率下提取这些参数的能力。现代实验室流变试验装置可分为两类广泛的旋转流变仪和毛细管挤出流变仪．
旋转流变仪
这些仪器通常需要以磁盘的形式进行测试的小样本 - 典型尺寸为25 mm，直径为1毫米。将样品放置在一对平行板或上锥形和下板之间，其温度可以通过诸如吹气的气体烘箱或板的电加热来维持。
现代旋转流变仪的能力
现代旋转流变仪能够进行多种测试类型，以允许在一系列温度和流速上完全表征材料。可用的测试类型类型的示例是：
流动的曲线
流量曲线测量剪切粘度与剪切速率或剪切应力。在足够低的剪切速率下，将获得粘度的恒定值。如此称为零剪切粘度已被证明依赖于聚合物的平均分子量和平台的长度（在粘度降低之前的高速）反映分子量差的宽度。软件包可用于确定来自这些数据的平均分子量和分子量分布。
|
图1。LDPE在190°C的流动曲线显示粘度的低剪切速率平台。零剪切粘度的大小是由聚合物的平均分子量决定的。 |
爬行TS.
蠕变试验（在规定的时间内施加恒定应力）允许替代方法确定零剪切粘度。当与恢复测试结合（消除应力）时，这些试验使得样品中的弹性量能够测量，因为材料将具有弹性的材料将反冲并试图恢复其原始形状。
|
图2。蠕变（蓝色）和恢复（红色）曲线聚丙烯在190℃下允许零剪切粘度确定和平衡可恢复的顺应性。 |
压力松弛
应激弛豫测试将瞬时变形（应变）施加到样品中，并随时间记录依赖性衰减的压力。应力的衰减速率取决于聚合物在测试温度下的粘弹性。数据通常显示为放松模数与时间。
模量与时间函数的集成通常被遗忘但快速地确定零剪切粘度并因此的平均分子量。模量/时间函数的差异产生连续弛豫时间分布曲线。原则上的这种相当复杂的功能包含与聚合物的分子量分布有关的信息。
|
图3。应力松弛数据LDPE在190°C。弛豫时间分布曲线包含聚合物分子量分布的信息。 |
小振幅正弦振荡测试
小振幅正弦振荡测试作为测试频率的函数，是一种快速且常用的同时测量聚合物粘弹性特性的方法。两个最常被报道的参数-存储(弹性)模量和粘滞(损失)模量(G”)，分别代表材料恢复(弹性响应)或流动(粘性响应)的相对程度随变形速率(测试频率)的变化。
聚合物熔体的典型反应是在高频时表现出弹性支配行为，在低频时表现出粘性支配行为。这意味着存在两个响应相等的临界频率。这显然是一个很好的定义点，而且这种“交叉”频率和模量被证明依赖于一些线性聚合物的分子量和分子量分布。
利用这一点作为质量控制工具的潜在优点是弹性和粘性模量的交叉于显着较高的频率发生，而不是发生剪切粘度的恒定值的频率。因此，与使流动曲线测量或执行蠕变测试相比，可以显着降低测试时间。
|
图4。频率扫描聚丙烯在190°C。交点由平均分子量和分子量分布决定。 |
粘弹性表征是如何解决实际加工问题的
完全讨论分子参数和处理性能之间的关系超出了本短篇文章的范围，但包括以下实施例以说明聚合物的粘弹性表征如何解决实际处理问题：
挤出过程中管和管仪的变化
低频振荡测试(低于0.1 Hz)显示了不同批次材料之间的弹性模量的差异。显然，管规将取决于聚合物被挤压后的恢复程度，所以毫不奇怪，管规更高的管有更大的弹性模量。
|
图5。两个HDPE管道的频率扫描数据。弹性模量高的试样产生了较大的管径。 |
减少不一致的纤维纺纱特性
低频振荡测试可以显示出不同批次材料的弹性性能的差异。黏度没有差异，说明材料的分子量是一致的。
低频时弹性的差异与分子量分布（MWD）的差异有关，结果更广泛的MWD导致增加的分子链纠缠，阻碍了纤维纺丝过程的拉伸过程。这反过来导致最终产品中的不一致。
|
图6。复合粘度作为频率的函数对好和坏的PP纤维样品。注意，没有明显的差别。 |
|
图7。储存模量作为频率的函数对良好和不良的PP纤维样品。不良试样弹性较大，纤维直径不一致。 |
毛细管挤出变性计
先进的毛细管挤出流变仪包括一种温度控制的筒，其包含一个或多个精密孔，其在出口处装有毛细管管芯。熔体压力传感器立即安装在模具上方，以记录压降，因为聚合物熔体通过编程流速的模具挤出。
通过使用毛细管管芯和“孔”或“零长度”模具，可以同时针对剪切和延伸速率来确定聚合物熔体的剪切和延伸粘度。
模具膨胀的确定
如果激光扫描测量仪和或通过一系列速度控制的夹紧辊挤出聚合物股的熔体强度，并记录力(熔体张力)作为牵引速度的函数，还可以使用其他附件来记录模具膨胀。
毛细管流变仪的应用
一般情况下，毛细管流变仪用于测量熔体在比旋转流变仪更高剪切速率下的性能，并允许测定典型加工条件下的流动行为。
一个特别重要的考虑因素是，与其他技术(如反向旋转滑轮装置)相比，在更高的延伸率下测量延伸(伸长)特性的能力，更重要的是在加工线上遇到的延伸率。
扩展属性
图8和9显示了剪切和延伸数据，其说明了重要且通常被忽略的点：两个聚合物可以具有几乎相同的剪切流动行为，但是可能表现出相当大的延伸性质。
如前所述，许多聚合物方法（纤维纺丝，吹塑）是基本的延伸过程，因此延伸粘度的测定比测量剪切粘度更重要。
|
图8。剪切粘度与剪切速率。两个橡胶的数据无法区分。 |
|
图9。图8显示了相同材料的拉伸粘度与拉伸速率的关系。亚博网站下载在伸展上有明显的区别。 |
毛细管流变仪和加工行为
毛细管流变仪通常用于检查处理行为，而不是确定流变参数：两个实例可以是确定流动不稳定性区域和壁滑的测量或临界应力的测量。
熔化骨折
当熔体从大截面流动到小截面时，流动不稳定或熔体断裂通常是拉应力的结果。如果拉应力足够大，熔体就会断裂。随着模具长度的增加和模具温度的升高，熔体断裂的影响逐渐减弱。
增加模芯长度抑制了模具入口处的横截面变化的效果，并且增加温度降低了相同剪切速率的粘度和应力。在毛细管流变仪中，熔体裂缝区域被揭示为熔体压力信号的常规振荡，如下所示。熔体有效地骨折，然后改变了相邻元件经历不同的延伸历史的效果，因此在离开模具时会膨胀。
|
图10。通过振荡压力信号表示熔体骨折的证据。该材料是在190℃下测量的聚丙烯。 |
计算流变性质与实践之间的差异
当用毛细管流变仪计算流变特性时，一个基本的假设是毛细模具壁处的材料是静止的——这就是所谓的粘滞条件。在实际应用中，聚合物熔体在一个临界应力下会偏离这种情况，而剪切流和材料流的组合叠加在一个桥塞流上。
通过在相同温度下测量至少三组具有相同长度的毛细管模具的流量曲线，可以在毛细管流变仪中分析颈壁滑移和临界应力的测定。对于不经历壁的材料，将产生相同的剪切应力与剪切速率配置文件。
在发生壁滑动的情况下，随着模具直径以恒定剪切速率增加，剪切应力将减小。流量数据的分析允许确定“滑移速度”和临界应力。计算流体动力学软件包通常需要这些参数以及剪切和延伸粘度数据，以预测模具和挤出型材中的熔体流动。
上面的两个例子显示了毛细管挤出流变仪可以用来帮助预测聚合物熔体的加工性能。其他测试机制也可能:通过多个流动曲线测量或粘度与时间的关系来测定聚合物降解;在恒定挤压压力下开始流动的临界温度的测量;流量停止后的应力松弛;熔体在恒定温度下的可压缩性等。
|
图11。在200°C时为HDPE的Rheograms。恒定压力线揭示了墙壁滑动的证据。 |
|
图12。在200°C下滑动速度与HDPE的剪切速率。滑动速度由Mooney的方法计算。 |
结论
聚合物熔体流变学是一个复杂的学科，需要精心的实验设计，以获得所需的信息，以满足研究者的要求。旋转变形计当要求是获取有关分子结构的信息以及这影响处理特征时的首选选择。
特别是，通过测量粘弹性特性，可以很容易地提取平均分子量和分子量分布的信息，这使得旋转流变仪成为一个强大的工具。毛细管流变仪扩展了实验室可达到的剪切速率范围，超出了旋转仪器的范围，并允许在典型加工条件下测量流动特性。
此外，在真实生活条件下，能够轻松确定剪切和拉伸特性，为聚合物生产商和处理器提供了信息，这对聚合物熔体的成功使用至关重要。最后，毛细管流变仪可以在受控环境下研究加工问题，无需停止。
.png)
此信息已被采购，从Malvern analytical提供的材料进行审核和调整。亚博网站下载
有关此来源的更多信息，请访问马尔弗恩帕尼特．