1、流變儀的基本原理和具體應(yīng)用2三種主流流變儀1恒速型（測(cè)壓力）： eg.通常的高壓毛細(xì)管流變儀恒壓型（測(cè)流速）： eg.塑料工業(yè)常用的熔體指數(shù)測(cè)量?jī)x重力型： eg.烏氏粘度計(jì)2根據(jù)夾具幾何構(gòu)造的不同分三類(lèi)：錐-板型 同軸圓筒型eg.橡膠工業(yè)中常用的門(mén)尼粘度計(jì)3混煉機(jī)型流變儀： 一種組合式轉(zhuǎn)矩流變儀，帶有小型密煉機(jī)和小型螺桿擠出機(jī)及各種口模優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量結(jié)果和實(shí)際加工過(guò)程相仿毛細(xì)管流變儀轉(zhuǎn)矩流變儀旋轉(zhuǎn)流變儀3關(guān)于流變儀的簡(jiǎn)單介紹常見(jiàn)流變儀的剪切速率范圍及測(cè)黏范圍精確測(cè)量范圍取決于各自測(cè)量面積和樣品性質(zhì)壓縮型門(mén)尼粘度計(jì)的剪切速率范圍大于振蕩型4關(guān)于流變儀的簡(jiǎn)單介紹5毛細(xì)管流變儀恒速型恒壓型柱塞前進(jìn)速率恒

2、定，作勻速運(yùn)動(dòng)柱塞前進(jìn)壓力恒定，作變速運(yùn)動(dòng)待測(cè)量為毛細(xì)管兩端的壓力差待測(cè)量為物料的擠出速度一般用來(lái)測(cè)量物料黏度及其它流變參數(shù)塑料工業(yè)中常使用熔體指數(shù)儀來(lái)測(cè)熔融指數(shù)兩類(lèi)主流毛細(xì)管流變儀的主要區(qū)別6毛細(xì)管流變儀恒速型毛細(xì)管流變儀 的外形構(gòu)造核心部件長(zhǎng)徑比：10/1、20/1、30/1、40/1等物料加熱成熔體 從料筒經(jīng)擠壓通過(guò)入口區(qū)進(jìn)入毛細(xì)管 從毛細(xì)管中擠出 測(cè)物料黏度及其它流變參數(shù) 柱塞的高壓作用物料從大截面流進(jìn)小截面此時(shí)流動(dòng)狀況發(fā)生巨大改變，入口區(qū)附近物料由于受拉伸出現(xiàn)明顯地流線收斂現(xiàn)象，此現(xiàn)象對(duì)剛進(jìn)入毛細(xì)管的物料流動(dòng)有很大影響。7毛細(xì)管流變儀恒壓型毛細(xì)管流變儀熔體指數(shù)儀的基本結(jié)構(gòu)與恒速型流變

3、儀類(lèi)似不同之處：熔體指數(shù)測(cè)量?jī)x中柱塞是變速運(yùn)動(dòng) 而后者是勻速運(yùn)動(dòng)8毛細(xì)管流變儀物料在毛細(xì)管中流動(dòng)的三區(qū)域：入口區(qū)、完全發(fā)展區(qū)、出口區(qū)L: 毛細(xì)管總長(zhǎng)p1 :柱塞桿對(duì)聚合物熔體施加的壓力p0 :大氣壓pe :出口處熔體壓力9毛細(xì)管流變儀完全發(fā)展區(qū)的流場(chǎng)分析1、Bagley 校正存在原因：物料經(jīng)歷強(qiáng)烈拉伸和剪切流動(dòng)，貯存、消耗了部分能量牛頓流體：pent很小，忽略不計(jì)粘彈性流體：必須考慮因彈性形變導(dǎo)致的壓力損失牛頓流體：pexit 為零粘彈性流體： 若其彈性形變?cè)诮?jīng)毛細(xì)管后尚未完全恢復(fù)， 至出口處任存部分內(nèi)壓力，則導(dǎo)致pexit 10毛細(xì)管流變儀壓力梯度： 完全發(fā)展區(qū)管壁上的剪切應(yīng)力：e0為Bag

4、ley修正因子修正方法：11毛細(xì)管流變儀確定e0的實(shí)驗(yàn)方法長(zhǎng)徑比不同 同一體積流量橫向截距 LB /D = e0 /2實(shí)驗(yàn)中：1、應(yīng)保持Q恒定，若Q變，相當(dāng)于剪切速率改變， e0 也隨之變化；2、由于pent主要因流體貯存彈性引起，故影響材料彈性的因素同樣會(huì)影響e0取值；3、當(dāng)長(zhǎng)徑比小、剪切速率大、溫度低時(shí)，不可忽略入口校正；4、長(zhǎng)徑比40時(shí)，pent所占比例小可不做入口校正。12毛細(xì)管流變儀2、Rabinowitsch 校正該公式為通式，推導(dǎo)時(shí)并未限制流體類(lèi)型牛頓流體表達(dá)式 n與1的差異可描述偏離牛頓流體的程度；大多數(shù)高分子濃溶液和熔體n通常小于1；此處n并非冪律定律中的非牛頓指數(shù)；牛頓黏度

5、壁剪切應(yīng)力真實(shí)剪切速率13毛細(xì)管流變儀入口壓力降的典型應(yīng)用零長(zhǎng)毛細(xì)管流變儀法測(cè)量PVC樣品在不同輥溫下素?zé)捄蟮哪z化程度14毛細(xì)管流變儀凝膠度：流率最小時(shí)流率最大時(shí)15毛細(xì)管流變儀出口區(qū)的流動(dòng)行為1、擠出脹大現(xiàn)象產(chǎn)生原因A、B、影響因素A、高分子鏈結(jié)構(gòu)及物料配方對(duì)擠出脹大現(xiàn)象有明顯影響B(tài)、毛細(xì)管長(zhǎng)徑比和料筒尺寸影響擠出脹大比 B = d/D16毛細(xì)管流變儀長(zhǎng)徑比增大， B減小L/D較大時(shí)：B與長(zhǎng)徑比幾乎無(wú)關(guān)；此時(shí)擠出脹大原因主要來(lái)自分子鏈取向產(chǎn)生的彈性形變，而入口區(qū)彈性形變影響已不明顯17毛細(xì)管流變儀BDR / D料筒內(nèi)徑 / 毛細(xì)管直徑18毛細(xì)管流變儀2、出口壓力降不為零19毛細(xì)管流變儀測(cè)試

6、方法20毛細(xì)管流變儀21毛細(xì)管流變儀基本應(yīng)用聚合物熔體剪切黏度的研究流動(dòng)曲線的時(shí)溫疊加聚合物熔體彈性的研究由末端校正計(jì)算熔體彈性法向應(yīng)力差的計(jì)算擠出脹大比的研究22毛細(xì)管流變儀測(cè)黏數(shù)據(jù)處理23毛細(xì)管流變儀負(fù)荷與滑塞速度 平衡此處n不是冪律指數(shù)24毛細(xì)管流變儀計(jì)算出毛細(xì)管管壁處剪切速率管壁處黏度用毛細(xì)管流變儀所測(cè)得數(shù)據(jù)實(shí)為 管壁處流變數(shù)據(jù)25毛細(xì)管流變儀26旋轉(zhuǎn)流變儀基本結(jié)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)流變儀是現(xiàn)代流變儀中的重要組成部分，它們依靠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生簡(jiǎn)單剪切流動(dòng)，可以用來(lái)快速確定材料的粘性、彈性等各方面的流變性能。 旋轉(zhuǎn)流變儀一般是通過(guò)一對(duì)夾具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生流動(dòng)。引入流動(dòng)的方法有兩種： 一種是驅(qū)動(dòng)一個(gè)夾具

7、，測(cè)量產(chǎn)生的力矩，也稱為應(yīng)變控制型，即控制施加的應(yīng)變，測(cè)量產(chǎn)生的應(yīng)力； 另一種是施加一定的力矩，測(cè)量產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)速度，也稱為應(yīng)力控制型，即控制施加的應(yīng)力，測(cè)量產(chǎn)生的應(yīng)變。 一般商用應(yīng)力控制型流變儀的力矩范圍為107 到101 Nm，由此產(chǎn)生的可測(cè)量的剪切速率范圍為106 到103 s1，實(shí)際的測(cè)量范圍取決于夾具結(jié)構(gòu)、物理尺寸和所測(cè)試材料的粘度。 實(shí)際用于粘度及流變性能測(cè)量的幾何結(jié)構(gòu)有同軸圓筒、錐板和平行板等。 27旋轉(zhuǎn)流變儀椎板FRr10錐板結(jié)構(gòu)的示意圖在板間隙內(nèi)速度沿 方向的分布是線性的，可以表示為應(yīng)變速率張量的 分量為剪切速率在錐頂角很小的情況下，剪切速率是常數(shù)，并且相應(yīng)的流動(dòng)為簡(jiǎn)單剪切流動(dòng)

8、。這個(gè)結(jié)果是從牛頓流體得出的，我們也假設(shè)對(duì)于粘彈性流體它也成立。因此，一般建議錐頂角應(yīng)該小于3。：施加于椎板的 旋轉(zhuǎn)角速度0：錐頂角28旋轉(zhuǎn)流變儀錐板結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：(i) 剪切速率恒定，在確定流變學(xué)性質(zhì)時(shí)不需要對(duì)流動(dòng)動(dòng)力學(xué)作任何假設(shè)。不需要流變學(xué)模型；(ii) 測(cè)試時(shí)僅需要很少量的樣品，這對(duì)于樣品稀少的情況顯得尤為重要，如生物流體和實(shí)驗(yàn)室合成的少量聚合物；(iii) 體系可以有極好的傳熱和溫度控制；(iv) 末端效應(yīng)可以忽略，特別是在使用少量樣品，并且在低速旋轉(zhuǎn)的情況下。 29旋轉(zhuǎn)流變儀 對(duì)于多相體系，如固體懸浮液和聚合物共混物，如果其中分散粒子 的大小和板間距相差不大，就會(huì)引起很大的誤差。對(duì)于

9、多相體系的 最佳選擇是同軸的平行板夾具； 應(yīng)該避免用錐板結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行溫度掃描實(shí)驗(yàn)，除非儀器本身有自動(dòng)的 熱膨脹補(bǔ)償系統(tǒng)。 錐板結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)：體系只能局限在很小的剪切速率范圍內(nèi)，因?yàn)樵诟叩男D(zhuǎn)速度下，由于慣性的作用，聚合物熔體不會(huì)留在錐板與平板之間。對(duì)于低粘度和有輕微彈性的流體，可以使用杯來(lái)代替平板，這樣可以得到大的剪切速率；30旋轉(zhuǎn)流變儀黏度的測(cè)量：因?yàn)榧羟兴俾试陂g隙中是恒定的，因此粘度可以從扭矩求得。由于剪切應(yīng)力也是常數(shù)，扭矩可以表示為 非牛頓粘度： 31旋轉(zhuǎn)流變儀第一法向應(yīng)力差的測(cè)量：動(dòng)力學(xué)方程的r 分量可以表示為：法向應(yīng)力表達(dá)式可以化簡(jiǎn)為： 第一法向應(yīng)力差： 32旋轉(zhuǎn)流變儀平行板平行板間的距

10、離可以調(diào)節(jié)到很小。小的間距抑制了二次流動(dòng)，減少了慣性校正，并通過(guò)更好的傳熱減少了熱效應(yīng)。綜合這些因素使得平行板結(jié)構(gòu)可以在更高的剪切速率下使用。(ii) 因?yàn)槠叫邪迳陷S向力與第一法向應(yīng)力差和第二法向應(yīng)力差(分別為1 N 和2 N )的差成正比，而不是像在錐板中與第一法向應(yīng)力差成正比，因此可以結(jié)合平行板結(jié)構(gòu)與錐板結(jié)構(gòu)來(lái)測(cè)量流體的第二法向應(yīng)力差。(iii) 平行板結(jié)構(gòu)可以更方便地安裝光學(xué)設(shè)備和施加電磁場(chǎng)。(iv) 在一些研究中，剪切速率是一個(gè)重要的獨(dú)立變量。平行板中剪切速率沿徑向的分布可以使剪切速率的作用在同一個(gè)樣品中得到表現(xiàn)。(v) 對(duì)于填充體系，板間距可以根據(jù)填料的大小進(jìn)行調(diào)整。因此平行板更適用

11、于測(cè)量聚合物共混物和多相聚合物體系(復(fù)合物和共混物)的流變性能。(vi) 平的表面比錐面更容易進(jìn)行精度檢查。(vii) 通過(guò)改變間距和半徑，可以系統(tǒng)的研究表面和末端效應(yīng)。(viii) 平行板的表面更容易清洗。平行板結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：33旋轉(zhuǎn)流變儀流體zrRh 平行板結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)條件下的速度分布為 剪切速率可以表示為 34旋轉(zhuǎn)流變儀對(duì)于非牛頓流體，因?yàn)榧羟兴俾孰S徑向位置而變化，粘度不再與扭矩成正比。因此需要進(jìn)行Robinowitsh 型的推導(dǎo)。 扭矩：對(duì)求導(dǎo)，并利用Leibnitz 法則，可以得到最終的粘度表示黏度的測(cè)量：35旋轉(zhuǎn)流變儀動(dòng)力學(xué)方程的r 分量可以表示為第一法向應(yīng)力差可以通過(guò)近似結(jié)果計(jì)算 第一

12、法向應(yīng)力差的測(cè)量：36旋轉(zhuǎn)流變儀因?yàn)殄F板結(jié)構(gòu)可以測(cè)得第一法向應(yīng)力差，而平行板結(jié)構(gòu)可以測(cè)得第一法向應(yīng)力差和第二法向應(yīng)力差的差，因此從原理上講，可以分別利用錐板和平行板結(jié)構(gòu)分別測(cè)量的結(jié)果來(lái)計(jì)算第一法向應(yīng)力差和第二法向應(yīng)力差。1、從錐板的測(cè)量結(jié)果可得第一法向應(yīng)力差： 2、從平行板的測(cè)量結(jié)果可以得到法向應(yīng)力差： 第二法向應(yīng)力差的測(cè)量：37旋轉(zhuǎn)流變儀同軸圓筒LKRR 同軸圓筒流變儀的示意圖KRRV同軸圓筒間的流動(dòng)WKR內(nèi)筒靜止1、基本結(jié)構(gòu)38旋轉(zhuǎn)流變儀內(nèi)筒壁上的剪切速率和外筒壁上的剪切速率確定的粘度 施加于外圓筒上的扭矩 2、黏度的測(cè)量39旋轉(zhuǎn)流變儀假設(shè)應(yīng)力張量可以寫(xiě)作 動(dòng)量方程在r 方向上可以簡(jiǎn)化為積

13、分并簡(jiǎn)化得 3、第一法向應(yīng)力差的測(cè)量40旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)量系統(tǒng)的選擇41旋轉(zhuǎn)流變儀42旋轉(zhuǎn)流變儀1、穩(wěn)態(tài)模式HDPE的穩(wěn)態(tài)剪切粘度 測(cè)量模式的選擇43旋轉(zhuǎn)流變儀 a、穩(wěn)態(tài)速率掃描 穩(wěn)態(tài)速率掃描可以得到材料的粘度和法向應(yīng)力差與剪切速率的關(guān)系。對(duì)于靈敏度很高的流變儀，可以測(cè)量到極低剪切速率下的響應(yīng)，也就可以得到零剪切粘度。 b、觸變循環(huán) 觸變循環(huán)對(duì)材料施加線性增大或減小的穩(wěn)態(tài)剪切速率，可以反映材料在不斷變化的剪切速率下的粘度變化，因此也就可以反映出材料結(jié)構(gòu)隨剪切速率變化的規(guī)律。 44旋轉(zhuǎn)流變儀2、瞬態(tài)模式a、階躍應(yīng)變速率掃描階躍應(yīng)變速率測(cè)試可以用來(lái)確定：恒定溫度下的應(yīng)力增長(zhǎng)和松弛過(guò)程；穩(wěn)態(tài)剪切后的松弛

14、過(guò)程。 45旋轉(zhuǎn)流變儀b、應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛施加并維持一個(gè)瞬態(tài)形變(階躍應(yīng)變)，測(cè)量維持這個(gè)應(yīng)變所需的應(yīng)力隨時(shí)間的變化。 施加階躍應(yīng)變后的應(yīng)力松弛過(guò)程46旋轉(zhuǎn)流變儀c、蠕變?nèi)渥儗?shí)驗(yàn)正好與應(yīng)力松弛相反，它給樣品施加恒定的應(yīng)力，測(cè)量樣品的應(yīng)變隨時(shí)間的變化。 對(duì)分子量分布，特別是高分子量的部分，很敏感。它也提供了關(guān)于末端松弛時(shí)間的重要信息，可以看成是存儲(chǔ)能量的一種表示，因此它對(duì)擠出和模壓過(guò)程很重要。蠕變恢復(fù)可恢復(fù)應(yīng)變0=應(yīng)力/斜率Je0=可恢復(fù)應(yīng)變/應(yīng)力時(shí) 間應(yīng)變?nèi)渥?恢復(fù)曲線蠕變實(shí)驗(yàn)也可以用來(lái)測(cè)量材料的粘度，只要將施加的應(yīng)力除以剪切速率。優(yōu)點(diǎn)：可以得到比動(dòng)態(tài)或穩(wěn)態(tài)方法更低的剪切速率。這就可以方便地測(cè)

15、量熔體的零剪切粘度。 47旋轉(zhuǎn)流變儀2、動(dòng)態(tài)模式聚二甲基硅氧烷(PDMS)的應(yīng)變掃描曲線a、應(yīng)變(應(yīng)力) 掃描48旋轉(zhuǎn)流變儀應(yīng)變掃描是給樣品以恒定的頻率施加一個(gè)范圍的正弦形變(應(yīng)變)。一般來(lái)講，粘彈性材料的流變性質(zhì)在應(yīng)變小于某個(gè)臨界值時(shí)與應(yīng)變無(wú)關(guān)，表現(xiàn)為線性粘彈性行為；當(dāng)應(yīng)變超過(guò)臨界應(yīng)變時(shí)，材料表現(xiàn)出非線性行為，并且模量開(kāi)始下降。因此材料儲(chǔ)能模量和損耗模量的應(yīng)變幅度的依賴性往往是表征粘彈行為的第一步：應(yīng)變掃描確定了材料線性行為的范圍。動(dòng)態(tài)應(yīng)變掃描可用來(lái)：確定線性粘彈性的范圍；對(duì)非線性行為明顯的材料，如填充的熱塑性材料和熱塑性聚合物共混物，進(jìn)行表征，往往填料的存在降低了臨界應(yīng)變的值。應(yīng)變掃描應(yīng)在

16、不同的頻率下進(jìn)行，因?yàn)榕R界應(yīng)變具有一定的頻率依賴性。49旋轉(zhuǎn)流變儀不同ABS樣品的時(shí)間掃描曲線動(dòng)態(tài)時(shí)間掃描在恒定溫度下，給樣品施加恒定頻率的正弦形變，并在用戶選擇的時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。動(dòng)態(tài)時(shí)間掃描可以用來(lái)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的破壞和重建，即研究測(cè)量的化學(xué)、熱以及力學(xué)穩(wěn)定性。穩(wěn)定性好的樣品可以在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持性質(zhì)的恒定，而穩(wěn)定性差的樣品的性質(zhì)就有可能隨著時(shí)間發(fā)生變化。 b、動(dòng)態(tài)時(shí)間掃描50旋轉(zhuǎn)流變儀c、動(dòng)態(tài)頻率掃描 一種窄分子量分布的聚苯乙烯(170,000MW)的動(dòng)態(tài)頻率掃描曲線 動(dòng)態(tài)頻率掃描模式是以一定的應(yīng)變幅度和溫度，施加不同頻率的正弦形變，在每個(gè)頻率下進(jìn)行一次測(cè)試。 在頻率掃描中，需要確定的

17、參數(shù)是：應(yīng)變幅度或應(yīng)力幅度，頻率掃描方式(對(duì)數(shù)掃描，線性掃描和離散掃描)和實(shí)驗(yàn)溫度。 從頻率掃描可以得到的信息包括：與分子量密切相關(guān)的粘度數(shù)據(jù)；從分子量數(shù)據(jù)和分子量分布，可以檢測(cè)到長(zhǎng)支鏈的含量；零剪切粘度可以從損耗模量求得，平衡可恢復(fù)柔量可從儲(chǔ)能模量求得，亦可求得平均松弛時(shí)間。51旋轉(zhuǎn)流變儀d、其它掃描模式 等變率溫度掃描 動(dòng)態(tài)單點(diǎn)測(cè)試 瞬態(tài)單點(diǎn) 復(fù)合波單點(diǎn)測(cè)試 復(fù)合波等變率溫度掃描 任意波形掃描52旋轉(zhuǎn)流變儀流變儀測(cè)量流變參數(shù)流變性能加工工藝優(yōu)化成型設(shè)備優(yōu)化流變動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)流變學(xué)本征參數(shù)界面性質(zhì)建立結(jié)構(gòu)的變化與其粘彈響應(yīng)之間的關(guān)系具體應(yīng)用53轉(zhuǎn)矩流變儀基本結(jié)構(gòu)54轉(zhuǎn)矩流變儀1、兩個(gè)轉(zhuǎn)子相向旋轉(zhuǎn)

18、，使物料被強(qiáng)制混合； 存在速比，其間隙發(fā)生分散性混合轉(zhuǎn)子是轉(zhuǎn)矩流變儀中對(duì)物料進(jìn)行混合、混煉的核心部件2、轉(zhuǎn)子的類(lèi)型：轉(zhuǎn)子不同適用的材料和剪切范圍不同55轉(zhuǎn)矩流變儀基本原理高分子材料在密煉時(shí)轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間的變化曲線1、扭矩譜56轉(zhuǎn)矩流變儀1、采用混合器測(cè)試時(shí)，高聚物以粒子或粉末的形式自加料口加入到混煉室中，物料受到上頂栓的壓力，并且通過(guò)轉(zhuǎn)子表面與混合室壁之間的剪切、攪拌、擠壓，轉(zhuǎn)子之間的捏合、撕扯，轉(zhuǎn)子軸向翻搗、捏煉等作用，實(shí)現(xiàn)物料的塑化、混煉，直至達(dá)到均勻狀態(tài)。2、高聚物被加入到混煉室中時(shí)，自由旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子受到來(lái)自固體粒子或粉末的阻力，轉(zhuǎn)矩急劇上升；當(dāng)此阻力被克服后，轉(zhuǎn)矩開(kāi)始下降并在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)；當(dāng)粒子表面開(kāi)始熔融并發(fā)生聚集時(shí)，轉(zhuǎn)矩再次升高；在熱的作用下，粒子的內(nèi)核慢慢熔融，轉(zhuǎn)矩隨之下降；當(dāng)粒子完全熔融后，物料成為易于流動(dòng)的宏觀連續(xù)的流體，轉(zhuǎn)矩再次達(dá)到穩(wěn)態(tài)；經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，在熱和力的作用下，隨著交聯(lián)或降解的發(fā)生，轉(zhuǎn)矩會(huì)有較大幅度的升高或降低。3、在實(shí)際加工過(guò)程中，第一次轉(zhuǎn)矩最大值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間非常短，很少能夠觀察得到。轉(zhuǎn)矩第二次達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間通常為315min，這依賴于所采用的材料和加工條件(溫度和轉(zhuǎn)速)。 57轉(zhuǎn)矩流變儀 由于混合器的轉(zhuǎn)子形狀復(fù)雜，兩轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也不同，因此混合器室內(nèi)不同空間位置的物料單元所受的剪切