用旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)量聚合物的流變性能
加入技術(shù)交流群
當(dāng)前，聚合物材料在各行業(yè)領(lǐng)域中得到了大量應(yīng)用。根據(jù)應(yīng)用的不同，對(duì)聚合物材料的性能要求也不盡相同。就材料本身而言，不同的生產(chǎn)或改性工藝過(guò)程決定了其性能的差異，其中分子鏈的長(zhǎng)度或纏結(jié)通常是影響其性能的決定性參數(shù)。因此，在塑料生產(chǎn)中，優(yōu)化工藝和質(zhì)量控制顯得尤為重要。
通常，通過(guò)流變學(xué)測(cè)試可以對(duì)許多相關(guān)的性能做出表征。利用流變儀測(cè)定材料流變性能（如流動(dòng)性、彈性和斷裂特性等）的主要目的在于：
1、對(duì)材料結(jié)構(gòu)的表征，包括：對(duì)聚合物分子量和分子量分布的定性和定量分析，以及對(duì)聚合物的支化性能、填充性能、拉伸性能和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等的分析。
2、模擬聚合物的加工條件，評(píng)定聚合物的加工性能。通過(guò)對(duì)加工過(guò)程的分析，以正確選擇加工工藝條件并指導(dǎo)配方設(shè)計(jì)。
3、對(duì)原材料、半成品和最終產(chǎn)品的性能做出評(píng)價(jià)。
測(cè)試技術(shù)
為了確保對(duì)聚合物熔體的流變測(cè)試的準(zhǔn)確性，需要選擇合適的流變儀、溫度控制單元和合適的測(cè)量夾。
1、流變儀
Physica MCR流變儀配備了獨(dú)有的電子整流同步電機(jī)馬達(dá)，采用永磁體驅(qū)動(dòng)器。同時(shí)，高精度的空氣軸承、光學(xué)編碼盤(pán)和法向應(yīng)力傳感器等使其具有極高的靈敏度和瞬時(shí)響應(yīng)能力。該流變儀的扭矩范圍可達(dá)7個(gè)數(shù)量級(jí)，轉(zhuǎn)速范圍達(dá)10個(gè)數(shù)量級(jí)，絕對(duì)地慣性校正特性使其即使在高頻振蕩下也具有優(yōu)異的測(cè)量性能。因此，在同一臺(tái)流變儀上即可實(shí)現(xiàn)真實(shí)的應(yīng)變控制和應(yīng)力控制。
為了減少測(cè)量誤差，最新的Physica MCR流變儀還配備了Toolmaster自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。當(dāng)安裝上轉(zhuǎn)子后，儀器會(huì)自動(dòng)辨識(shí)尺寸和序列號(hào)。更換控溫單元，主機(jī)也會(huì)自動(dòng)更新信息。這樣一來(lái), 就不會(huì)出現(xiàn)混用25mm和50mm直徑轉(zhuǎn)子的情況，從而使儀器具有無(wú)錯(cuò)、智能的優(yōu)點(diǎn)。
2、溫控單元
通常，聚合物流變性測(cè)試的典型溫度范圍為150～300℃，這也是聚合物較敏感的溫度范圍。對(duì)于很多樣品而言，即使溫度發(fā)生1℃的變化，其粘度的變化就會(huì)達(dá)到5%，因此需要在流變測(cè)試中對(duì)溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。一般，只有少數(shù)的溫度控制單元能適應(yīng)聚合物流變性測(cè)試的要求，而采用開(kāi)放的溫控方式和被動(dòng)保溫的溫控方式并不能替代上下主動(dòng)控溫的封閉的溫控單元（如圖1所示）。
圖1 開(kāi)放式的溫控、被動(dòng)保溫和上下主動(dòng)控溫的封閉溫控單元的比較
（1）對(duì)聚合物熔體來(lái)說(shuō)，一種選擇是采用帶有上部電加熱保護(hù)罩和下部電加熱的測(cè)量板加熱方式。Anton Paar公司提供了2個(gè)溫度范圍的電加熱溫控單元：P-ETD350(最高溫度350℃)和P-ETD400(最高溫度400℃)。這種加熱方式高效、快速且易于使用，并且這種加熱方式通過(guò)充入氣體（如氮?dú)猓?，有助于使樣品迅速達(dá)到控制溫度，避免其氧化。此外，還可以避免樣品內(nèi)部出現(xiàn)溫度梯度。一般，可將聚合物粒料直接放在下加熱板上，達(dá)到溫度平衡后，測(cè)量轉(zhuǎn)子隨即下降到刮樣位置處，然后由一個(gè)刮鏟刮掉溢出的樣品以進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量后再用銅刷或者刮板清理上下板。
（2）采用輻射加對(duì)流的CTD高溫爐，如Anton Paar公司的CTD450溫控單元。由于CTD高溫爐的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，測(cè)量轉(zhuǎn)子和樣品都是通過(guò)氣體加熱而不是放在下板上被直接加熱，所以這種加熱方式具有相對(duì)于電加熱更長(zhǎng)的封閉循環(huán)溫度控制，可直接測(cè)量樣品的溫度。此外，CTD高溫爐完全對(duì)稱(chēng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)使溫度梯度達(dá)到最小。這種溫度控制單元不僅適用于測(cè)量聚合物熔體，還可以進(jìn)行固體的DMTA測(cè)試、拉伸測(cè)試和UV固化測(cè)試等。
3、測(cè)量夾具
相比于板板測(cè)量系統(tǒng)，錐平板測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是，整個(gè)測(cè)量間隙具有相同的剪切速率。盡管如此，由于錐平板之間的間隙通常保持在50μm左右(1°錐角的錐平板系統(tǒng))，在溫度高于或者低于室溫的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，會(huì)帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題：如果升溫或降溫實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致熱脹冷縮，會(huì)使流變儀支架和測(cè)量系統(tǒng)軸不可避免地發(fā)生毫米級(jí)的長(zhǎng)度變化，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差。因此，絕大多數(shù)的科研實(shí)驗(yàn)都采用板板測(cè)量系統(tǒng)（它具有1 000μm的間隙）。
然而，最近一種新的測(cè)量方法（TruGap）可以在-150～280℃的范圍內(nèi)直接測(cè)試和調(diào)節(jié)上下錐/平板或者板板的間隙，這個(gè)溫度范圍是聚合物流變學(xué)家十分感興趣的。采用TruGap錐板系統(tǒng)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的最大間隙誤差不超過(guò)1μm。
應(yīng)用
1、完整的流動(dòng)曲線：測(cè)量零剪切粘度和熱塑性材料的可流動(dòng)性
流動(dòng)和粘度曲線反映了熱塑性材料在不同剪切和加工條件下的流動(dòng)性能。大多數(shù)聚合物的加工采用塑化成型，其過(guò)程覆蓋很寬的剪切速率范圍(見(jiàn)表所示)。為了模擬不同加工過(guò)程的流動(dòng)性，需要測(cè)量該加工過(guò)程中在剪切速率下的粘度。
如圖2所示，在低剪切或低角頻率下，聚合物的粘度與剪切速率或角頻率無(wú)關(guān)，即存在零剪切粘度。零剪切粘度是一個(gè)重要的材料參數(shù)，直接和平均分子量Mw的3.4次方成正比。
圖2 聚合物的流動(dòng)曲線
評(píng)論