一、實驗目的

1     了解轉矩流變儀的結構與測定聚合物流變性能的原理。

2     熟悉并掌握轉矩流變儀測定聚合物流變性能的方法。

二、實驗原理

高分子材料的成形加工過程，幾乎都是在聚合物的熔融狀態下進行的。因此，研究其流動行為具有非常重要的意義。聚合物流變學的主要研究對象是認識應力作用下高分子材料產生流動和形變的行為以及這些行為與各種因素(聚合物的結構與性質、溫度、力的大小和作用方式、作用時間以及聚合物體系的組成等)之間的相互關系。由于流動與形變是聚合物加工過程中最基本的工藝特征，所以流變學研究對聚合物的加工有非常重要的現實意義。

聚合物在加工過程中的形變是由于外力作用的結果，隨受力方式的不同通常有三種類型的應力：剪切應力(τ)、拉伸應力(σ)和流體靜壓力(p)。在這三種應力體系中，通常以剪切應力τ在聚合物加工中重要，因為它決定了擠塑模頭內和注塑中注口、流道和模槽內的壓降的大小，從而決定了功率的消耗和有關加工設備的效率。聚合物加工時受到剪切力作用產生的流動為剪切流動。例如聚合物在擠出機、口模、注塑機、噴嘴和流道以及紡絲噴絲板的毛細孔道中的流動等主要是剪切流動。聚合物在加工過程中受到拉應力作用引起的流動為拉伸流動。例如初生纖維離開噴絲板時和吹塑法或拉幅法生產薄膜時都有這種流動。實際加工過程中往往是幾種應力的組合，但此時剪切應力的作用更為重要，因為剪切流動是聚合物流體在大多數加工中的主要形式。

聚合物的流變行為十分復雜，如聚合物熔體非牛頓性明顯，不僅具有粘彈性，而且還有熱效應，所以很難準確測定聚合物熔體的流變行為。聚合物流變學目前還是一門半經驗的物理學科，理論尚不*，但流變學的概念已經成為聚合物成型加工理論的重要組成部分，它對材料的選擇和使用、加工時工藝條件的確定、加工設備和成型模具的設計及提高產品的質量等都有重要的指導作用。

測定聚合物熔體流變行為的儀器稱為流變儀，性能按儀器施力方式不同有許多種，如落球式、轉動式(同軸圓筒和錐板)和毛細管擠出式等，這些儀器是流變儀，適用不同粘性流體在不同剪切速率范圍內的測定。在測定和研究聚合物材料熔體流變性能的各種儀器中，還有一類相對流變儀，如轉矩流變儀等。它們是用來生產大型混合器的微縮復制品，模擬真實過程的條件，用于測定塑性材料在混合、擠出過程中流變特性的功能性試驗設備。這種流變儀的設計目標是造成高湍流、高剪切的效果，以便使聚合物熔體或橡膠混合物的多組分得以良好的混合。在此條件下，被高度剪切的物料產生非線性的粘彈性響應，由物料粘度產生的阻力表現在作用于轉子上的轉矩。通過測定、記錄不同材料在不同條件下加工過程中的轉矩值、物料溫度以及熔體壓力等參數，來確定物料在熔融狀態的粘度(轉矩值)、熔融中能量的消耗、熔融特性、熱穩定時間以及分解特性等一系列參數。通常記錄轉矩隨溫度、時間的變化圖，稱為“流變圖”。

物料被加到混煉室中，受到轉速不同、轉速相反的兩個轉子所施加的作用力，使物料在轉子與室壁間進行混煉剪切，物料對轉子凸棱施加反作用力，這個力由測力傳感器測量，再經過機械分級的杠桿力臂轉換成轉矩值。其轉矩值的大小反映了物料粘度的大小。通過熱電偶對混煉室的溫度進行控制，可以得到不同溫度下物料的轉矩。以轉矩對時間作圖得到轉矩流變曲線，如圖1-1所示。各段的意義為：OA：在給定溫度和轉速下，物料開始粘連，轉矩上升到A點；AB：受轉子的旋轉作用，物料很快被壓實(趕氣)，轉矩下降到B點(有的樣品沒有AB段)；BC：物料在熱和剪切力的作用下開始塑化(軟化或熔融)，物料即由粘連轉向塑化，轉矩上升至C點；CD：物料在混合器中塑化，逐漸均勻，達到平衡，轉矩下降到D；DE：維持恒定轉矩，物料平衡階段；E之后：繼續延長塑化時間，將導致物料發生分解、交聯、固化，使轉矩上升或下降。　

t0物料受上頂栓壓實時間t1: 物料受熱壓實時間；t2: 塑化時間（熔融軟化）；t3: 達到平衡時間（物料動態穩定）；t4: 物料分解/交聯時間；M1: 最小轉矩；M2: 轉矩；M3: 平衡轉矩

從圖1-1還可看出，處于室溫的、顆粒形狀和粒度不同的物料加入塑化室后，被壓縮于轉子四周，而混煉器需要經過一段時間才能使物料熔化，這將造成轉子轉動困難，需要一個較大的轉矩才能使轉子轉動起來，開始塑化過程，從而出現一個加料峰。經過一段時間后，物料的溫度受傳熱和剪切的作用也趨于平衡。平衡轉矩反映了加工條件下物料表觀粘度的大小，間接反映了物料的流動性能。該值越低，表明流動性越好。物料在混合器中受到剪切和塑化，其工作能量的高低是材料加工性能的直接反映，可以用材料轉矩流變特性曲線下的積分面積表征整個加工過程的能耗。

由轉矩流變儀獲得的信息有：

（1）判斷可加工性。由于轉矩值的大小直接反映了物料的粘度和消耗的功率，由此可以看出此配方是否具有加工的可能性。若轉矩太大，則在加工中需要消耗許多電力，或在更高溫度下，才能降低轉矩，也需耗電，成本提高，這時應考慮改變配比，下調轉矩。

（2）加工時間。熱塑性材料：要求t4不能太短，否則還未成型就已分解、交聯。熱固性材料：若t4太長，效率太低，需很長時間才能固化脫模，周期長；若t4太短，物料很快就固化在螺桿或模具中。

（3）加工溫度。可以測定不同溫度下的轉矩流變曲線，得到M-T關系曲線。

（4）材料的穩定性。研究分解時間的長短。

（5）可將轉矩換算成剪切應力、剪切速率或粘度，得到流變曲線。

三、   實驗器材

1.  XSS-300轉矩流變儀。

2. 橡塑材料混合器。

3. 低密度聚乙烯。

四、   實驗步驟

高分子材料的流變性能除受聚合物結構及混合物的組成影響外，采用混合器測量流變性質時的實驗條件，如加料量、溫度和轉速，也是十分重要的影響因素。

1. 加料量

測量時，物料自混合器上部的加料口加入，受上頂栓對物料的壓力，并且通過轉子外表面與混合室壁間的剪切、攪拌、擠壓；轉子間的捏合、撕拉；轉子軸向間翻搗、捏煉等作用，以連續變化的速度梯度和轉子對物料產生軸向力的形式，實現物料的混煉、塑化。顯然混合室內的物料量不足，轉子難以接觸物料，達不到混煉塑化的效果。反之．物料加入過多，部分物料集中于加料口不能進入混合室混煉均勻或出現超額的阻力轉矩，使儀器安全裝置發生作用，停止運轉。實驗過程中，去除上頂栓對物料的施壓作用，儀器轉矩變化不突出，說明加料量基本合適。加料量由混合室空腔容積、物料密度來確定。此外，為保證測試的準確性與重復性，原料的粒度和材質也應均勻。

2. 測試溫度

混合器溫度一般取物料的熔融溫度或成型溫度。如果選擇的溫度過低會導致超額轉矩使安全裝置發生作用，儀器停轉。溫度過高時，聚合物的鏈段活動能力增加、體積膨脹。分子間作用減小，流動性增大，粘度隨溫度升高而降低。物料在混煉塑化過程中的微小變化不易顯示出來，由此影響測試準確性。對于PS、PVC、PC等聚合物，因為流動活化能大，熔體粘度對溫度十分敏感，升高溫度可大大降低熔體的粘度，因而要注意溫度的控制和調節，所以除了控溫要求穩定外，還要對混煉室進行必要的空氣冷卻，防止物料與轉子室壁摩擦升溫造成過熱現象，影響測試結果。

3. 轉速

混煉室中轉子轉速的確定一般以加工所需要的條件而定。同時按照物料粘滯阻力的大小、測試溫度的高低、儀器靈敏度的大小等條件再進行適當調整。其最終目的是使測試結果數據準確、清晰、重復性好。

 

 

 

4. 加料速度

物料加入混煉室時，應使用斜槽柱塞加料器，在盡可能短的時間內把物料壓人混煉室內。其原因是如果物料進入時間長短不同，物料各部分受熱、受剪切的時間就不同，造成結果波動，重復性差。

5. 操作步驟

（1）了解轉矩流變儀的工作原理、技術規格和安裝、使用、清理的有關規定。

（2）根據實驗要求設定溫度。打開加熱開關，升溫至設定溫度后，再恒溫30分鐘。

（3）開動主機并開始記錄，物料由加料器投入混合室，放下壓料桿壓實物料，開始記錄，到預定實驗時間停止記錄。

按下式計算加料量，并用天平準確稱量：

W=Vρα0                                           （6-1）

式中，W為加料量，g；V為混合器容積，cm3；ρ為原材料的固體或熔體密度，g/cm3；α0為加料系數，按固體或熔體密度計算分別為0.65、0.80。

（4）拆卸、清理干凈混合器，為再次實驗作好準備。

五、數據處理

1. 寫出轉矩流變儀測試聚合物流變性的原理及測試時的各項實驗條件。(已知條件,溫度、重量、轉速、材料)

2. 以實驗所得數據、圖形，討論在聚合物結構研究、材料配方選擇、成型工藝條件控制、成型機械及模具設計等方面的應用。