高壓毛細(xì)管流變儀介紹（型號(hào)：CR-400A）

1  概述

毛細(xì)管流變儀是目前發(fā)展得成熟、應(yīng)用*的流變測量儀之一,，其主要優(yōu)點(diǎn)在于操作 簡單,，測量準(zhǔn)確，測量范圍寬(剪切速率g& ：10-2～105s-1),。毛細(xì)管流變儀可分為兩類：一類 是壓力型毛細(xì)管流變儀,，通常簡稱為毛細(xì)管流變儀； 另一類是重力型毛細(xì)管流變儀,，如烏氏 粘度計(jì)（參見第九章）,。壓力型毛細(xì)管流變儀既可以測定聚合物熔體在毛細(xì)管中的剪切應(yīng)力 和剪切速率的關(guān)系，又可以根據(jù)擠出物的直徑和外觀,，在恒定應(yīng)力下通過改變毛細(xì)管的長徑 比來研究熔體的彈性和不穩(wěn)定流動(dòng)(包括熔體破裂)現(xiàn)象,，從而預(yù)測聚合物的加工行為，作為 選擇復(fù)合物配方,、尋求最佳成型工藝條件和控制產(chǎn)品質(zhì)量的依據(jù),； 此外， 還可為高分子加工機(jī)械和成型模具的輔助設(shè)計(jì)提供基本數(shù)據(jù),， 并可用作聚合物大分子結(jié)構(gòu)表征研究的輔助手段,。

根據(jù)測量對(duì)象的不同，壓力型毛細(xì)管流變儀又可分為恒壓型和恒速型兩類,。 恒壓型毛細(xì) 管流變儀的柱塞前進(jìn)壓力恒定,， 待測量為物料的擠出速度； 恒速型毛細(xì)管流變儀的柱塞前進(jìn) 速率恒定,， 待測量為毛細(xì)管兩端的壓力差,。恒速型的物料流動(dòng)速率可由柱塞的前進(jìn)速率得到,， 其壓力可由柱塞上的負(fù)荷單元(Instron  流變儀)或料筒壁上的壓力傳感器(Gottfert  流變儀)測 得。 本章將討論恒速型壓力型毛細(xì)管流變儀的測量原理與應(yīng)用,。

壓力型毛細(xì)管流變儀的構(gòu)造見圖 1,，其核心部件是位于料筒下部的給定長徑比的毛細(xì)

管； 料筒周圍為恒溫加熱套,，內(nèi)有電熱絲,； 料筒內(nèi)物料的上部為液壓驅(qū)動(dòng)的柱塞。物料經(jīng)加 熱變?yōu)槿垠w后,，在柱塞高壓作用下從毛細(xì)管中擠出,， 由此可測量物料的粘彈性。

物料從直徑寬大的料筒經(jīng)擠壓通過有一定入口角的入口區(qū)進(jìn)入毛細(xì)管,， 然后從出 口擠出,，其流動(dòng)狀況發(fā)生巨大變化。入口區(qū)附近物料有明顯的流線收斂現(xiàn)象,，這將對(duì)剛剛進(jìn)入毛 細(xì)管的物料的流動(dòng)產(chǎn)生較大影響,。物料在進(jìn)入毛細(xì)管一段距離之后才能得到充分發(fā)展，成為 穩(wěn)定的流動(dòng),。而在出口區(qū)附近,，由于約束消失，聚合物熔體表現(xiàn)出擠出脹大現(xiàn)象,，流線又隨 之發(fā)生變化,。因此，物料在毛細(xì)管中的流動(dòng)可分為三個(gè)區(qū)域： 入口區(qū),、*發(fā)展的流動(dòng)區(qū),、 出口區(qū)(圖 2) 。圖中 L 為毛細(xì)管的總長度,， P1 為柱塞桿對(duì)聚合物熔體所施加的壓力,， P0 為大氣壓， Pe 為出口處的熔體壓力,。

2  測試原理與方法

2.1  *發(fā)展區(qū)的流場分析

設(shè)毛細(xì)管半徑為 R,，*發(fā)展區(qū)長度為 L，物料為不可壓縮流體,，在柱塞壓力作用下作 等溫穩(wěn)定的軸向?qū)恿?。為研究方便，取圖 3 所示柱坐標(biāo)系(r ,，  ,，z)：

且*發(fā)展區(qū)的流動(dòng)長度 L小于毛細(xì)管長度 L 。因此，除非毛細(xì)管長徑比很大(L/D>100),， 否則末端效應(yīng)(入口,、出 口壓力降)會(huì)顯著影響所測粘度的準(zhǔn)確性。

入口壓力降的存在是由于物料在入口區(qū)經(jīng)歷了強(qiáng)烈的拉伸流動(dòng)和剪切流動(dòng),，以致于貯存 和消耗了部分能量的結(jié)果,。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在全部壓力損失中,， 95%是由于彈性能貯存引起的,， 僅有 5%是由粘性耗散引起的。 因此,，對(duì)于純粘性的牛頓流體而言,，入口壓力降很小，可忽 略不計(jì),， 而對(duì)粘彈性流體則必須考慮因其彈性形變而導(dǎo)致的壓力損失,。相對(duì)而言,，出 口壓力 降比入口壓力降要小得多,，對(duì)牛頓流體而言，出 口壓力降為零,； 對(duì)于粘彈性流體,， 若其彈性 形變?cè)诮?jīng)過毛細(xì)管后尚未*回復(fù)，至出口處仍殘存部分內(nèi)壓力,， 即導(dǎo)致出口壓力降,。

為了從測得的壓差P 準(zhǔn)確地求出*發(fā)展流動(dòng)區(qū)上的壓力梯度， Bagley 于 1957 年提出 了如下修正方法： 虛擬的延長毛細(xì)管(實(shí)際是*發(fā)展流動(dòng)區(qū))的長度,， 將入口區(qū)的壓力降等 價(jià)在虛擬延長長度上的壓力降,，以保證壓力梯度的準(zhǔn)確性。記虛擬延長的長度為

注意實(shí)驗(yàn)中應(yīng)保持體積流量恒定,。 若流量變化,，相當(dāng)于剪切速率發(fā)生變化，則 e0  值不 同,。由于入口壓力降主要因流體存貯彈性能引起,，因此一切影響材料彈性的因素(如分子量、 分子量分布,、剪切速率,、 溫度等)都會(huì)對(duì) e0 產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)表明,，當(dāng)毛細(xì)管長徑比較小,、剪 切速率較大、溫度較低時(shí),，入口校正不能忽略,，否則不能得到可靠的結(jié)果,； 當(dāng)毛細(xì)管長徑比 很大時(shí)，入口區(qū)壓降所占的比重很小,，此時(shí)可不作入口校正,。

2.3 Mooney 校正

利用 Rabinowitsch 校正計(jì)算管壁處的剪切速率的前提是流體是均相的， 即粘度是剪切速 率或剪切應(yīng)力的單值函數(shù),。但對(duì)于含有填料的體系而言,，情形則有所不同，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)管壁 滑移現(xiàn)象,。其他影響因素,，如粒子的遷移與取向，共混物的凝結(jié)或相變,，粘性生熱等,，都會(huì) 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。這些影響可采用下述方法進(jìn)行校正,，即 Mooney 校正,。

假設(shè)所有的管壁效應(yīng)都可用管壁滑移速度來描述。這個(gè)速度既可是正值(相當(dāng)于稀釋效 應(yīng)) ,，也可是負(fù)值(相當(dāng)于吸收或稠化效應(yīng)) ,。因此，式(3- 16)可寫成

2.4  出口區(qū)的流動(dòng)行為

在毛細(xì)管出口區(qū),，粘彈性流體表現(xiàn)出特殊的流動(dòng)行為,，主要表現(xiàn)為擠出脹大現(xiàn)象和出口

壓力降不為零。

( 1)  擠出脹大現(xiàn)象                                                                 擠出脹大現(xiàn)象通常用擠出脹大比 B＝d/D 描述,，其中 d 為擠出物*松弛時(shí)的直徑,， D

為口模直徑。其產(chǎn)生原因歸為兩個(gè)方面： 首先是由于物料在入口區(qū)經(jīng)受劇烈的拉伸形變,， 貯 存了彈性能,，這種彈性形變?cè)谖锪辖?jīng)過毛細(xì)管時(shí)得到部分松弛，若至出口處尚未*松弛,， 則表現(xiàn)為口模外的繼續(xù)松弛,，即擠出脹大；其次,，物料在毛細(xì)管內(nèi)流動(dòng)時(shí),，大分子鏈在剪切 流場作用下發(fā)生拉伸與取向，這部分彈性形變也將在擠出后得到松弛,。

高分子鏈的結(jié)構(gòu)及物料配方對(duì)擠出脹大行為有明顯影響,。一般而言，線型柔性鏈分子， 內(nèi)旋轉(zhuǎn)位阻低,，松弛時(shí)間短,，擠出脹大效應(yīng)較弱。例如,， 天然橡膠的脹大比,，與同樣條件下 丁苯橡膠、氯丁橡膠,、丁腈橡膠相比要低一些,。丁苯橡膠中， 苯乙烯含量高者,，其玻璃化溫 度高,，松弛時(shí)間長，擠出脹大比也大,。分子量,、分子量分布及長鏈支化度對(duì)高分子的流動(dòng)性 和彈性有明顯影響，因而也會(huì)對(duì)擠出脹大產(chǎn)生影響,。此外,， 增塑劑能夠減弱大分子間的相互 作用， 縮短松弛時(shí)間,，從而可減小擠出脹大比,； 填充補(bǔ)強(qiáng)劑的用量較多,，加入后使物料中相 對(duì)含膠率降低,，尤其象結(jié)構(gòu)性較高的炭黑，吸留橡膠多,，因此也會(huì)導(dǎo)致擠出脹大比下降,。  (2)  毛細(xì)管出口壓力降不為零

與擠出脹大現(xiàn)象直接關(guān)聯(lián)的是粘彈性流體在毛細(xì)管出口處壓力降不為零，這兩者實(shí)質(zhì)上 均是粘彈性流體在毛細(xì)管出口處仍具有剩余可恢復(fù)彈性能的表現(xiàn),。

一般擠出脹大比是通過在毛細(xì)管出口處采用直接照相,、激光掃描或冷凝定型直接測量得 到的， 但測量誤差較大,，原因是擠出物*松弛的位置不易確定,。擠出物直徑易受下垂物重 力作用而變細(xì)。出 口壓力的測定以采用窄縫式毛細(xì)管為宜,，壓力傳感器可直接測出毛細(xì)管上 的壓力梯度,， 然后外推得到出口處壓力。

2.5  測試方法

現(xiàn)以 Instron 公司的毛細(xì)管流變儀為例介紹其操作方法及注意事項(xiàng),。

( 1)   實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)根據(jù)情況對(duì)樣品進(jìn)行干燥或真空干燥,；

(2)   依次打開電源，設(shè)置實(shí)驗(yàn)所需溫度， 進(jìn)行升溫,；

(3)   每次更換力傳感器或改變單位設(shè)定及力值顯示窗顯示“----- ”時(shí),，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行校正： 按壓“LOAD  CAL”、“ENTER”等待數(shù)秒,，當(dāng)力值顯示窗顯示零時(shí),，標(biāo)定完成； 每當(dāng)調(diào)換 夾具或力值顯示窗顯示不為零時(shí),，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行復(fù)零： 按壓“LOAD  BAL”,、“ENTER”等待 數(shù)秒，當(dāng)力值顯示窗顯示零時(shí),，標(biāo)定完成,；

(4)   在毛細(xì)管流變儀的控制面板上設(shè)置最大負(fù)荷(最大負(fù)荷應(yīng)小于支架所承受的力； ),、 最小負(fù)荷和最大應(yīng)變,、最小應(yīng)變；

(5)   進(jìn)入計(jì)算機(jī)控制菜單,， 進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置,；

(6)   待料筒溫度達(dá)到設(shè)定值并保持恒定后，裝上柱塞桿做空車校正,；

(7)   取下柱塞桿,，向料筒中加料，邊加料邊壓實(shí),，直至物料距料筒上端保持一段距離即 可開始實(shí)驗(yàn),；

(8)   每次實(shí)驗(yàn)完成后先用清洗料清洗料筒，然后趁熱用純棉紗布將壓桿,、料筒,、毛細(xì)管 擦拭干凈。

注意事項(xiàng)：

( 1)   實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)檢查機(jī)架左側(cè)的機(jī)械上,、下限位標(biāo)志是否在合適的位置,；

(2)   毛細(xì)管是由硬質(zhì)合金鋼制成，應(yīng)輕取輕放,，避免跌落在地上摔碎,；

(3)   儀器安裝時(shí)應(yīng)注意料筒與柱塞桿的中心對(duì)正，否則將導(dǎo)致柱塞桿與料筒之間產(chǎn)生摩

擦,，從而既損傷儀器,，又影響測試結(jié)果； 實(shí)驗(yàn)開始時(shí),，應(yīng)當(dāng)使柱塞桿緩慢地插入到料筒中,， 以避免柱塞桿頂?shù)街Ъ苌希?/span>

(4)   負(fù)荷及應(yīng)變值的符號(hào)以拉伸為正值,，壓縮為負(fù)值。