流變儀--材料加工的重要“伙伴”
加入技術(shù)交流群
在線式流變儀
混合商和樹脂供應(yīng)商無需再每隔幾個小時將生產(chǎn)試樣送去實驗室等待結(jié)果出來了，利用在線式流變儀他們可以對產(chǎn)品質(zhì)量進行實時監(jiān)控。這種流變儀從擠出機中取得熔體進行測試，完成后熔體被丟棄或重新返還到擠出機中。Thermo Electron公司的Correa 先生說，他們公司的在線式加工控制流變儀（PCR 630）已被主要樹脂生產(chǎn)廠家所采用，其擠出機以60000lb/h的速率運行(1 lb=0.4536kg)。很明顯，他們等不及去測試材料是否符合要求。對于其他生產(chǎn)商來說，超過 $100000的設(shè)備費用也是引進該機器的一個障礙。最近兩家供應(yīng)商引入了一種只須 $50000的在線式儀器。據(jù)說Dynisco公司的ViscoSensor 是最小的在線式返流毛細(xì)管流變儀，這款流變儀性能可與高級設(shè)備相比擬。Pavero先生提到，目前已經(jīng)有部分商家在使用它，如混合商、PET和聚烯烴片材及薄膜的擠出商、高檔PET回收商以及尼龍模型和棒材的擠出商等。一家生產(chǎn)用于熱成型盤的PET片材廠將這種設(shè)備用于黏度和濕度分析，因為它們可以檢測輸入電壓，如果干燥器沒能充分運行的話它們能夠立即做出反應(yīng)。同時，Thermo Electron 還在德國研制出一種在線系統(tǒng)，現(xiàn)在在美國也有生產(chǎn)。ProFlow流變儀的基本售價為$50000，但試驗用過的材料并不返還到擠出機中。
在高檔設(shè)備中，Goettfert公司的小型在線式流變儀 MBR常常被PET生產(chǎn)商用于檢測生產(chǎn)的輸入電壓。該公司的實時流變儀(RTR)是一種返流系統(tǒng)，它在塑料檢測中具有一定特色。在檢測中，有些粘性很大的材料需要半個小時之久才能通過擠出口模，這就意味著在這半個小時內(nèi)，工廠可能一直在使用不合格的材料。而RTR附加有一臺流通泵，可以使材料試樣在5min內(nèi)送達(dá)流變儀，避免了這一現(xiàn)象的發(fā)生。
扭矩式流變儀
扭矩式流變儀的核心部件是一個特殊的發(fā)動機，它可以測量軸上的扭矩。其驅(qū)動系統(tǒng)能與可交換附件，如小型實驗室混合機或單、雙螺桿擠出機連接在一起。設(shè)備供應(yīng)商包括C.W. Brabender公司和Thermo Electron公司。
扭矩式流變儀和數(shù)據(jù)獲取軟件相連，就能對生產(chǎn)扭矩、驅(qū)動速率、溫度和壓力進行追蹤。這些數(shù)據(jù)能夠說明材料加工以及不同添加劑分散的難易程度。在聚合物工業(yè)中，扭矩式流變儀最初用于PVC和橡膠的檢測，這是由它們配方中的添加劑所決定的。例如，扭矩式流變儀有助于評估配方是否容易降解。當(dāng)材料開始交聯(lián)時，PVC扭矩會變大。
C.W. Brabender公司的應(yīng)用試驗室經(jīng)理Andrew Yacykewych說，扭矩式流變儀現(xiàn)在可用于各種熱塑性塑料的測試，包括納米復(fù)合材料和木塑材料。這種設(shè)備還能用于研究熱固性材料，尤其是不飽和聚酯和酚醛塑料的硬化行為。據(jù)Yacykewych 所說，使用扭矩式流變儀的廠商主要進行薄膜、片材、管材以及涂料的擠出。這種控制精確的小型擠出機還能用于導(dǎo)管等制品的小批量生產(chǎn)。
Thermo Electron 的Martin 先生說，扭矩式流變儀的最新進展包括一種特殊的傳感器。混合商和母料供應(yīng)商用它來測量材料的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性，作為質(zhì)檢設(shè)備對添加劑（如碳黑）的分散情況及性能進行檢測。
混合商還能用扭矩式流變儀對雙螺桿擠出生產(chǎn)線進行小規(guī)模的模擬。Thermo Electron公司新型PolyLab 系統(tǒng)是一種組合扭矩式流變儀，用于實驗室或試驗工場的生產(chǎn)模擬。
Martin 說，許多混合商剛開始設(shè)計配方時，使用小型的間歇式混合組件。一旦確定了基本配方，就可以使用雙螺桿擠出機連續(xù)地進行混合。然后材料經(jīng)造粒，輸送到一個連有扭矩式流變儀的單螺桿擠出機上，由小型吹膜生產(chǎn)線成型，得到塑料袋。公司的 PolyDrive 生產(chǎn)線包括有一個稍便宜的流變儀以及一個專用混合機或擠出機，它們兩者不能互換。例如，PVC混合商如果想使用這種設(shè)備進行PVC熔融試驗，那么專用的PolyDrive 混合機就能令他滿意。PolyDrive 系統(tǒng)（包括軟件在內(nèi)）售價在$35000 到$45000之間。
C.W. Brabender公司的頂級設(shè)備Intelli-Torque Plasti-Corder已有四年的應(yīng)用歷史，它擁有高精度的數(shù)字伺服驅(qū)動系統(tǒng)，在整個0.2～150r/min的速度變化范圍內(nèi)，扭矩可在1 ~ 400 Nm之間變化。最近公司引入了ATR Plasti-Corder裝置，其驅(qū)動較?。?.5 馬力），價錢更低。ATR適用扭矩高達(dá)160 Nm，可與任何Brabender混合機或單螺桿擠出機相連。
Brabender公司新型扭矩式流變儀軟件Winmix適用于間歇式混合機，內(nèi)含可用于PVC、彈性體、聚烯烴、熱固性材料以及工程塑料的評估程序。測試范圍包括增塑劑或流體吸收、流動和硬化行為、加熱和剪切穩(wěn)定性、硬質(zhì) PVC的熔融行為以及炭黑的結(jié)合時間。
Winext也是一種用于擠出的新軟件，它可以評估聚合物在近似真實生產(chǎn)條件下的粘度。
動態(tài)旋轉(zhuǎn)式流變儀
動態(tài)旋轉(zhuǎn)式流變儀的主要部件是一個發(fā)動機、一個光編碼器、一個扭矩感應(yīng)裝置和一個能在發(fā)動機軸上施加壓力的工具（用于塑料應(yīng)用）。另一個關(guān)鍵的部件是空氣軸承，它使發(fā)動機和扭矩感應(yīng)裝置能夠漂浮起來，使摩擦最小化。這種流變儀的主要供應(yīng)商包括有Thermo Electron (Haake)公司、TA Instruments (包括以前的 Rheometric 設(shè)備) 公司以及Malvern Instruments (Bohlin)公司。
動態(tài)旋轉(zhuǎn)式流變儀以連續(xù)旋轉(zhuǎn)和振蕩的形式運作。小角度的振蕩最常用于塑料的測試中，這種振蕩可以提供粘彈性的信息，如熔融黏度、分子質(zhì)量、重均分子量分布和聚合物松弛，這些都對材料的加工有著影響。設(shè)備軟件可以繪制出彈性模量及粘性模量與振蕩頻率（rad/s）的關(guān)系圖。這種測試的剪切比較小，其掃描程序可使振蕩幅度由小到大變化，以模擬不同的加工剪切條件。
動態(tài)旋轉(zhuǎn)式流變儀有三種不同的壓力傳感裝置：錐板／平板式、平板／平板式、和同心圓柱式。最后一種主要用于粘合劑和涂料。平板／平板式（或平行板式）裝置可用于測試熱塑性熔體和熱固性材料（必須使用一次性板）材料。錐板／平板式設(shè)備主要用在剪切恒定情況和法向力測試中（與熱塑性塑料的出口膨脹相聯(lián)系）。還能采用平行板或錐板/平板式傳感器對固體塑料進行蠕變研究。實驗時，對試樣施加恒定的壓力，而后檢測張力。通過蠕變實驗可以直接測得平衡恢復(fù)柔量和零切黏度。
TA Instruments公司的AR 系列流變儀是常見的用于塑料的動態(tài)流變儀。它采用了CMT（電機和傳感器相組合）技術(shù)。TA Instruments 申請了專利的SMT（電機和傳感器相分離，解決了慣性問題）裝置稍貴一些，但在塑料測試使用中仍較普遍。它直接測量驅(qū)動主機上的扭矩，大大減少了校準(zhǔn)的次數(shù)。例如，CMT 流變儀在測量低黏度時有困難，因為相對于材料阻力來說，此時轉(zhuǎn)子和傳感器的慣性顯得更大了。這樣的問題在分析加工黏度變化很大的材料（如熱固性材料）時也會出現(xiàn)。當(dāng)聚合物硬化，用戶就會遇到CMT 流變儀的這種慣性限制。但據(jù)報道，使用SMT 技術(shù)的Ares流變儀可以精確測試任何黏度范圍的材料。
CMT 設(shè)備能控制壓力恒定，但不能保持應(yīng)變恒定。一般來說，CMT設(shè)備只能通過迭代循環(huán)反饋回路，在振蕩式流變儀中使用來控制應(yīng)變，這時往往需要多次振蕩循環(huán)才能獲得所要的應(yīng)變，從而延長了測試時間。SMT設(shè)備則不會出現(xiàn)這樣的問題?，F(xiàn)在CMT 設(shè)備改進后，用戶可以和使用SMT 設(shè)備一樣，在一次振蕩內(nèi)達(dá)到所需應(yīng)變，所不同的是它仍需另外校準(zhǔn)。舉個例子，TA Instruments 公司的AR Mobius Drive 2000系統(tǒng)，它安裝有不同的附件，包括用于研究熱固性材料硬化行為的加熱爐。這個系統(tǒng)可以直接控制振蕩時的應(yīng)變和壓力，并在平臺上進行應(yīng)變速率恒定的壓力松弛測試。
據(jù)稱Malvern公司的Bohlin Gemini和C-Vor CMT 設(shè)備也能達(dá)到類似效果，它的Rotonetic驅(qū)動既能控制壓力又能控制應(yīng)變。Thermo Electron公司的RheoStress 600 應(yīng)用已有兩年，它的電動機重量極小，從而可以減少測試中慣性的影響。其法向力（轉(zhuǎn)軸上）測試也很有特點。應(yīng)用工程師Jenni Briggs 先生解釋說，在許多流變應(yīng)用中，壓力常常是施加在垂直于熔體流動的方向上。使用RheoStress 600，法向力既可以被設(shè)定為一個固定參數(shù)，又可以被當(dāng)作是一個可測的變量。剪切粘彈性試樣會引起法向力的變化，它可以通過集成在空氣軸承上的法向力傳感器來測定。其MFC (壓力微量修正) 裝置進一步擴大了它的可測壓力范圍，最小可低至0.01 N。在FLC (控壓裝載)模式下，在試樣上施加預(yù)設(shè)的法向力，用以增強實驗可重復(fù)性。
另一種選擇
Brookfield Engineering Laboratories最近推出了一種動態(tài)旋轉(zhuǎn)式流變儀。該流變儀的“錐形軸”（錐板/平板）式設(shè)備中安裝有機械軸承，可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)。雖然它們沒有空氣軸承那么靈敏，同時也不能進行振蕩試驗，但其價格十分低廉。它們被推薦用于質(zhì)檢和某些聚合物性能的測試。市場部主管Bob McGregor先生解釋說，空氣軸承設(shè)備可以提供更多有關(guān)材料屈服值和彈性模量的精確信息，這些數(shù)據(jù)對于分析研究十分重要。但對于基本的性能測試來說，顯然這種儀器更為合適。(end)
評論