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流变仪是材料加工的重要“伙伴”吗?

发布时间:2019-01-28 16:18

  原料供应商使用流变仪来测量聚合物熔体的粘弹性是一件相当普通的事情,现在越来越多的塑料混合商也开始使用它。利用流变仪可评估树脂在常规质量管理下的可加工性,或将其用作研发工具,决定在某一生产条件或应用条件下使用哪种材料最好。

  流变仪广泛使用的原因之一是它们的价格日渐便宜,这一现象的发生部分归因于电脑的采用使流变仪性价比越来越高。过去最常使用的流变仪,现在不用$40000就能买到。据报道,最新式流变仪具有更好的精确度,并附带软件和硬件,可以扩大测试范围。

  一般说来,流变仪主要有三种类型:毛细管流变仪、扭矩式流变仪和动态旋转式流变仪。三种类型分别适用于不同的目的。如果要寻找一台精密的熔融指数仪,那么可以考虑使用毛细管流变仪。一般的熔融指数仪测量的只是剪切速率/黏度曲线上的一点,只能对材料的流动性或平均分子量进行粗略的评估,而毛细管流变仪能到出曲线上的多个点,可以为注射成型或挤出成型等高剪切状态提供更为真实的信息。初级毛细管流变仪的售价从$30000 到 $45000不等,高级的质检设备售价高达$100000。在线式毛细管流变仪黏度测量在材料通过挤出机时进行。它们一般费用为$100000到$150000,但也有几家公司以$50000左右的价格引进了这种设备。

  扭矩式流变仪其实是小型的混合机或挤出机,它们可以测量混合螺杆或转子上的扭矩。扭矩反映了材料混合的难易程度,它与黏度有关,是用于描述材料可加工性的主要方法之一。普通间歇式混料型的扭矩式流变仪售价从$35000到 $40000不等,带有双螺杆挤出的机型售价则高达$150000。

  使用毛细管流变仪或扭矩式流变仪,令材料从仪器中通过,都能获得有关黏度和熔体流动的数据。而动态旋转式或振荡式流变仪则不同,它们探索的是聚合物分子结构以及粘弹性。使用时将塑料试样放置在两个组件中,其中一个固定,另一个以设定的速率做往返运动。这种设备的剪切速率相对比较低,它们可以提供有关材料加工的信息,这对于材料供应商的研发及质检部门来说是极为重要的。用于塑料材料的旋转式流变仪的售价为$40000~ $90000。

流变仪是材料加工的重要“伙伴”吗?

  使用毛细管流变仪得到的高剪切黏度,与使用动态旋转式流变仪得到的低剪切黏度是有可比性的,因为它们所测的都是“真实的”或绝对黏度。但扭矩式流变仪不是这样,它只是通过测量扭矩间接得到相对黏度。

  如果混合商和加工商要寻求一种带有一定研究能力的质检设备,那么应该首选毛细管流变仪,设备供应商大体都认同这一观点。第二种选择是扭矩式流变仪,它可以检测挤出口模以及注射模具中的流动,可用于质检。而且它还能将两种材料混合,有助于测试和研发,这是另外两种流变仪所不能办到的。但是如果用毛细管流变仪或扭矩式流变仪都不能找出问题所在,那么可能就需要从分子结构角度考虑,这时就需要使用动态旋转式流变仪。

  毛细管流变仪

  应力控制型高剪切毛细管流变仪由一个加热桶和一个活塞组成,活塞向熔体施加压力,使它以恒定的速率或剪切速率通过标准口模。口模形状可以更改以测量材料在不同条件下的流变性能。除了最常见的单头毛细管流变仪,另有一种双头(双桶)设备。这种设备可以同时进行不同条件下的两组实验。还有在线式的毛细管流变仪,它可以安装在挤出机上。

  毛细管流变仪的主要供应商有Ceast、Dynisco Polymer Test、 Goettfert、Malvern Instruments (2003年收购了Bohlin Instruments/Rosand)以及Thermo Electron (以前的Thermo Haake)。

  虽然毛细管流变仪可以测试大部分塑料,但对于PVC而言仍是个难题,因为它会释放出腐蚀性气体氯化氢。Thermo Electron公司生产经理Alberto Correa先生指出,PET、尼龙及其他吸湿性材料中的水分同样也会引起侵蚀。但对于在线式毛细管流变仪来说,测试过程中氧气被排出,所以吸湿性材料不会带来问题。热固性材料也能用于线毛细管设备测试,但不能用高级设备,因为树脂硬化太快,不易清理。

  毛细管流变仪可以测定材料黏度随温度及压力的变化。实验时,温度恒定,活塞以10种不同的速率移动,这样就能知道黏度与剪切速率和剪切力之间的关系,得到一条以剪切力(单位为Pa)为X轴,剪切速率(单位为s-1)为Y轴的流变曲线。两者之比即为黏度(单位为Pa·s)。室温下水的黏度为1cp,也就是1mPa·s。

  用于质检的高级毛细管流变仪的压力较小,仅为5~10 kN ,而中高级设备的压力范围可达50~60 kN 。前者的活塞速率为20000:1,研发部门使用的先进仪器则为 200000:1 。

  最常见的毛细管流变仪是单头的,如Goettfert的Rheotester 500(它既可用作流变仪,又可用作熔融指数仪)、Dynisco的LCR 7001、Ceast的Rheologic 2500、Malvern Instruments (Rosand)的 RH2100、以及Thermo Electron(Haake)的RheoCap S20等。

  目前,双头毛细管流变仪也逐渐走进了大众的视野。有些双头毛细管流变仪只需$50000左右就能买到。因为可以在一次测试中获得两个结果,所以这种设备十分省时。双头毛细管流变仪另一大优点是它们可以自行计算Bagley或其他修正,这样得到的绝对黏度就更为可靠。这是通过使用口径相同,长度不同的口模,得到相同剪切速率下不同的剪切力来实现的。

  粘弹性的测量

  最新的毛细管流变仪带有硬件和软件,可以测定或计算得到一些有关粘弹性的物理量,如拉伸黏度、出口膨胀以及熔体强度。Goettfert公司的总经理Tim Haake先生认为,拉伸或伸长黏度对薄膜、纤维、发泡加工以及吹膜成型来说十分重要,但是用一般的流变仪无法获得这些数据。Goettfert公司的Rheotens 仪器在几年前申请了专利,它是拉伸流变仪,价格为$60000。从那时开始,其他厂家相继想出不同的方法,有些利用软件交互作用,有些利用专门的附带硬件来确定材料的粘弹性。例如,Dynisco Polymer Test公司开发了一种新的软件程序,能从剪切速率和剪切力推算出一些材料的粘弹性信息,如伸长黏度。根据公司经理Rich Pavero的介绍,Dynisco公司还开发了一种软件,它在标准毛细数据与PET本征黏度之间建立了很好的相互关系。据报道,本征黏度已成为PET混合商和加工商所关注的一个物理量。