測試原理
毛細管流變儀是一種模擬實際生產過程,獲取流體在流程的各個部分中變化的基本數據的裝置。
1)首先,在熔爐中將材料加熱至一定溫度。
2)融化的材料通過活塞以一定速度向下推壓,通過下側的眼膜擠出。此時,利用放置在眼膜入口附近的壓力傳感器監測融化物的壓力。
3)隨著活塞的下壓,壓力逐漸增加並達到平衡點。
4)將這種平衡壓力值記錄為當時活塞速度的測量值。
5)改變活塞速度,並以相同的方式進行測量。
根據所需的剪切速度範圍,通常進行5至16個不同速度的測量,以覆蓋所需範圍。
(圖一)熔爐內部概念圖
測量結果,將獲得壓力和時間(活塞速度)的相關圖如圖二。在這個階段,將獲得每個活塞速度下的資訊如下:
容積流量比率:由推料桿面積和速度計算
壓力:眼膜入口處的樹脂壓力
根據這兩項信息,可以如下計算粘度:
剪切應力 = 壓力的函數
表觀粘度 = 剪切速度 = 容積流量比率的函數
(圖二)壓力與時間關係圖
其結果如圖三所示。
(圖三)黏度曲線(修正前)
加工性評估所需的參數
粘度涉及兩種類型,其兩者都與加工性密切相關:
剪切粘度:通常所說的粘度。與生產過程中的平行流動相關。
伸張粘度:與加工中的擠壓或擴散流動相關。
當熔化的聚合物從壓出機或射出成型機推入模具時,必然會產生擠壓流動。尤其當擠壓流動發生時,流速加快,形成強烈的伸張流動。
聚合物會經過狹窄的模具,如右圖所示形成拉伸的形狀,在離開模具的地方進到開放流動區域後其形狀會恢復到接近原始形狀。
在收縮擠壓流動及開放流動中的分子形狀變化
為了獲得正確的信息,需要進行以下補正
測得的壓力值包含了在眼膜入口和出口處產生的壓力誤差。這些誤差可能相當於10%至30%。為了補正這些誤差,普通的流變儀需要安裝短的眼膜,並在相同的測試條件下再進行一次測量。
短眼膜的入口和出口處產生的壓力值模擬了實際生產過程中的擠壓流動或擴散流動(參見圖四),而短眼膜的壓力值與伸張黏度有關聯。
(圖四)毛細管中的擠壓流動
(圖五)成形機的擠壓流動及擴散流動
然而R6000的特點是可以在一次測試中完成上述繁瑣的工作。且特別重要的是可以在完全相同的聚合物熔化條件和完全相同的活塞速度下獲得正確的測量結果,這意味著可大大的降低人為誤差和機械誤差的可能性。
一般來說,使用毛細管流變儀進行測試時,至少需要在三個不同的溫度下進行測試,這樣才能獲得更清晰且客觀的結果。
圖七
圖八
圖九
圖七為經過入口效應校正的"剪切粘度"和"剪切速度"之間的相關圖。
圖八為在長度為0的眼膜中獲得的與擠壓流動和擴散流動有關的壓力(P0) - 剪切速度(Log)之間的相關圖。
圖九為有關縮小流動和擴散流動的伸張粘度的圖示例子。
"剪切速度"對於壓出成型,一般為20~500秒,對於射出成型則一般為100~10,000秒。測試涵蓋這個剪切速度範圍將是獲取有用信息的關鍵。與通過溫度換算來估算不同,直接在實際成型速度下進行測試具有無法估量的優勢,因此應用範圍不斷擴大。