高分子材料流變學簡介-流變參數(shù)
對于不同流場中的常用流變參數(shù)進行歸納,可以把它們分成四類:粘性參數(shù)、彈性參數(shù)、強度參數(shù)、界面參數(shù)。常用的實驗測定方法包括熔融指數(shù)測定儀(MFR)、壓力型毛細管流變儀、同軸圓筒流變儀、錐板流變儀、平行板流變儀、轉矩流變儀、拉伸流變儀、烏氏粘度計等。
粘性參數(shù)
常用的粘性參數(shù)包括剪切粘度η、拉伸粘度ηe、復數(shù)粘度η*。剪切粘度η是最普遍地用來表示聚合物流變性能的一個參數(shù)。通常所說的粘度就是指剪切粘度。對于粘度較低的聚合物溶液與熔體可用同軸圓筒流變儀或烏氏粘度計測定。例如,人們常用同軸圓筒流變儀測定涂料的粘度;利用烏氏粘度計測定聚合物的粘均分子量。在聚合物加工成型時,工作對象主要是聚合物熔體,一般來說粘度比較大。一方面,不同的加工成型方法的剪切速率范圍不一樣;另一方面,不同類型的流變儀的剪切速率的量程也不同。因此,存在著一個相互匹配的問題。
熔融指數(shù)測定儀的剪切速率較低,測得的流變性能只適用于指導模壓成型。但是熔融指數(shù)測定方法簡單,操作方便快捷,儀器價格較低,因此在工業(yè)界得到了普遍應用。樹脂生產(chǎn)廠家常用熔融指數(shù)MFI作為樹脂的性能指標,間接地表示樹脂分子量的大小與加工性能。塑料加工廠也常用MFI表示塑料的加工流動性能。
錐板流變儀或平行板流變儀常被用來測定聚合物熔體粘度。一般采用小振幅振動剪切動態(tài)模式直接測得復數(shù)粘度η*,再利用Cox-Merz定律轉換成剪切粘度η。由于需用Cox-Merz定律進行轉換,因此測定聚合物的對象有一定局限性。但當只需了解低剪切速率下的粘度時,可以采用錐板或平行板流變儀的穩(wěn)定剪切模式,直接測定剪切粘度。此時,被測定的聚合物對象就不再受限制。錐板或平行板流變儀測定的優(yōu)點是可同時得到有關彈性的數(shù)據(jù);另一方面,動態(tài)模式測量的頻率掃描范圍較寬。如果要求更寬的剪切速率范圍的粘度數(shù)據(jù),可以采用時-溫轉換方法得到。小振幅振動流變測定方法靈敏度高,還常被用來研究表征聚合物的大分子結構。
毛細管流變儀可直接測得聚合物剪切粘度,且剪切速率的適用范圍很寬,測定對象并沒有限制,因此在科學研究與工業(yè)上都得到了廣泛的應用。在擠出成型與注射成型時,特別是注射成型時,聚合物所受的剪切速率很高,因此只有采用毛細管流變儀才能直接測得這樣高剪切速率下的粘度。
拉伸粘度ηe是表達聚合物在拉伸流場中流變性能的一個主要參數(shù),可采用拉伸流變儀測定。拉伸流變儀是基于薄片或單絲拉伸的直接測定方法,可以給出瞬態(tài)拉伸粘度值。此外還有一種間接測定方法,即利用毛細管流變儀中入口效應產(chǎn)生的拉伸流動,采用Cogswell方法進行換算得到粘度值。
彈性參數(shù)
與聚合物彈性相關的參數(shù)很多,最常用的有:第一法向應力差N1、第一法向應力系數(shù)ψ1、剪切彈性模量G、松弛時間λ (或松弛時間譜iλ)、復數(shù)模量G*(G*=G′+iG″)等。
同軸圓筒流變儀、錐板流變儀與平行板流變儀都屬于旋轉流變儀,是測定聚合物彈性參數(shù)的常用儀器。但它們的適用對象并不一樣:同軸圓筒流變儀適用于較低粘度流體,后兩種可用于高粘度流體。對于含有較大固體粒子的聚合物復合流體,不應采用錐板流變儀。旋轉流變儀有多種測量模式,測量方法選擇余地較大。其中,小振幅剪切振動頻率掃描動態(tài)模式是最常用的模式,可以同時測得聚合物的G*、G′、G″、η*等隨頻率的變化。采用穩(wěn)態(tài)剪切模式可以方便地測得聚合物的彈性參數(shù)N1、ψ1等隨剪切速率的變化,G與λ1可通過換算得到。但穩(wěn)定剪切模式的剪切速率的最大值一般不超過10s-1。對于線性彈性模量G0,可通過應變模式測得。
對于彈性參數(shù)的測定,除了采用旋轉流變儀外,還可考慮采用毛細管流變儀或窄縫流變儀。毛細管或窄縫流變儀測定流體彈性是通過流道壁上壓力傳感器采集壓力數(shù)據(jù)換算得到,因此可以測定很高剪切速率下的彈性數(shù)據(jù),測量范圍更廣。
然而,不管是采用哪種方法,目前對于第二法向應力系數(shù)ψ2測定的準確性還存在一定問題。
強度參數(shù)
與熔體流動相關的三個常用的強度參數(shù)是:熔體強度Fb、熔體破裂應力σr、熔體屈服應力σy。聚合物熔體強度Fb直接影響紡絲與吹膜工藝過程。如果Fb過低,就會造成單絲的斷裂或者吹膜的失敗。紡絲和吹膜都與聚合物的拉伸粘度相關。因此,熔體強度Fb與拉伸粘度ηe之間有一定的關系。聚合物熔體強度Fb常用拉絲法測定,擠出單絲可以采用毛細管流變儀聯(lián)結拉伸裝置來實施。
聚合物熔體破裂是口模擠出中的一種重要現(xiàn)象,常用熔體破裂應力σr定量表達,可由毛細管流變儀方便地測得。
聚合物熔體流動一般不存在屈服應力。但是對于很多高填充聚合物復合材料來說,一般存在屈服應力σy,只有當所施加的應力超過臨界值σy時才能發(fā)生流動。如果流體的粘度不隨剪切速率改變而變化,即在屈服點后呈現(xiàn)牛頓特性,這種流體被稱為賓漢流體。對于高填充聚合物復合材料,當應力超過σy后往往表現(xiàn)為非牛頓行為。所以,高填充聚合物復合材料是一種廣義賓漢流體。其屈服應力σy可由平行板流變儀或毛細管流變儀測得。
界面參數(shù)
在聚合物流動中存在著液-固、液-液、液-氣三種界面。液-氣界面上的法向應力等于環(huán)境氣壓,剪切應力一般可忽略不計。液-固界面指模腔內壁與聚合物流體間存在的界面。通常,為了簡化起見,假設界面上流體是靜止的,即采用無滑動邊界條件。實際上,在某些條件下界面上的流體會發(fā)生滑動,對聚合物加工成型帶來很大影響。為了定量地表達這類液-固界面條件,常采用滑壁速度uw這一流變參數(shù)。滑壁速度uw可由毛細管流變儀測得。液-液界面存在于多層擠出、多組分注塑、聚合物共混等場合。例如,在兩組分聚合物進行共混或雙層擠出時,兩組分間的界面性質直接影響流體的粘彈性能與流場參數(shù),進而影響聚合物材料的相結構。在液-液界面參數(shù)中,聚合物熔體界面張力Γ的大小最受人們的關注。
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