流变学是研究材料流动和变形的科学欧洲杯线上买球，其基础是胡克和牛顿在17世纪末提出的弹性和粘性定律欧洲杯足球竞彩th世纪。热塑性聚合物熔体广泛应用于许多现代工业过程中，以制造多种物体。
使用聚合物是因为它们在熔融状态下形成复杂形状的成本相对较低，因此，我们需要了解它们在加工过程中是如何流动的。
影响聚合物流变性的因素
聚合物是一种复杂的流变学表征材料，因为影响其流动特欧洲杯足球竞彩性的因素很多。影响流动特性的因素包括:加工温度;流率;停留时间等。
此外，聚合物的流变性能介于液体和固体之间。这导致了流动特性和其他重要特性的时间依赖性，其中一些将在下面讨论。
熔体粘度及其温度依赖性
熔体粘度是众所周知的，它与温度密切相关。通过降低模具的温度，直到被生产的零件具有哑光光洁度，处理器可以知道最低温度(即最大树脂粘度)，在这个温度下，加工过程可以在不出现表面缺陷的情况下进行。降低模具温度可以节省能源和减少循环次数，因此了解熔体粘度的温度依赖性是非常有用的。
挤出胀大
众所周知，聚合物熔体在挤出时会出现挤出胀大。这种现象表现为出口模具后挤出物直径的增加。口模膨胀量与口模入口处材料的弹性变形量有关。
需要进一步考虑的事实是，当材料在恒定吞吐量下挤压时，模具膨胀(更准确地说是挤压膨胀)的程度取决于模具的长度。换句话说，聚合物熔体表现出时间依赖性，因为材料忘记了在模具入口施加的弹性变形，材料在模具中花费的时间越多，模具膨胀越少。
熔体弹性
熔体弹性对许多其他聚合物工艺也有深远的影响，如:
•吹塑成型，吹塑部件的壁厚取决于模具关闭前挤出过程中发生的膨胀程度。
•真空成型或热成型，其中聚合物必须保持一定程度的弹性，以防止材料下垂之前，它被真空拉过冷成型模具。如果材料没有足够的弹性，它很可能在真空或压力施加之前接触到冷却的模具。
添加剂的浓度
聚合物的加工性能还取决于被加工化合物中润滑剂、增塑剂、填料和其他组分的浓度。从这篇简短的介绍中，我们可以了解到聚合物熔体流动行为的正确表征可能需要复杂和多功能的仪器。
描述流动行为
从流变学家的角度来看，聚合物流动行为可以方便地分为三个部分：剪切和拉伸流动，其特征是相应的粘度，弹性行为的特征是测量模量或膨胀比。
为了充分表征材料的特性，需要能够在温度和剪切/拉伸速率范围内提取这些参数的仪器。现代实验室流变试验仪器可分为两大类旋转流变仪和毛细管挤出流变仪．
旋转流变仪
这些仪器通常需要材料的小样本，以圆盘的形式进行测试，圆盘的典型尺寸为直径25毫米，厚度1毫米。样品放置在一对平行板或上锥和下板之间，通过外部加热装置，如吹气炉或电加热板来保持其温度。
现代旋转流变仪的能力
现代旋转流变仪能够进行多种测试类型，允许在温度和流速范围内对材料进行全面表征。可用测试类型的示例如下:
流量曲线
测量剪切粘度与剪切速率或剪切应力的流动曲线。在足够低的剪切速率下，粘度将达到一个常数。这种所谓的零剪切粘度已经被证明依赖于聚合物的平均分子量和平台的长度(粘度下降之前的速率有多高)，这反映了分子量分布的宽度。可用软件包从这些数据确定平均分子量和分子量分布。
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图1所示。LDPE在190°C的流动曲线显示粘度的低剪切速率平台。零剪切粘度的大小是由聚合物的平均分子量决定的。 |
蠕变测试工程师ts
蠕变试验(在规定的一段时间内施加恒定应力)允许采用另一种方法来确定零剪切粘度。当与恢复测试(消除应力)相结合时，这些测试能够测量样品中的弹性量，因为具有弹性的材料会反冲并试图恢复其原来的形状。
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图2。190°C下的聚丙烯允许确定零剪切粘度和平衡可恢复柔度。 |
应力松弛
应力松弛试验对试样施加瞬时变形(应变)，并记录应力随时间的随时间衰减。应力的衰减速率取决于聚合物在测试温度下的粘弹性。数据通常显示为随时间的弛豫模量。
模量与时间函数的积分是一种经常被遗忘但却能快速确定零剪切粘度和平均分子量的方法。模/时间函数的微分可以得到连续的松弛时间分布曲线。这个相当复杂的函数在原则上包含了与聚合物分子量分布有关的信息。
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图3。应力松弛数据LDPE在190°C。弛豫时间分布曲线包含了聚合物的分子量分布信息。 |
小振幅正弦振动测试
小振幅正弦振动测试作为测试频率的函数是一种快速且常用的同时测量聚合物粘性和弹性性能的方法。两个最常被报道的参数——存储(弹性)模量和粘滞(损耗)模量(G”)，它们分别代表材料在变形速率(测试频率)变化时恢复(弹性响应)或流动(粘滞响应)的相对程度。
聚合物熔体的典型响应是在高频时表现出以弹性为主的行为，在低频时表现出以粘性为主的行为。这意味着存在两个响应相等的临界频率。这显然是一个定义明确的点，而且这种“交叉”频率和模量已被证明取决于一些线性聚合物的分子量和分子量分布。
利用这一点作为质量控制工具的一个潜在优势是，弹性模量和粘性模量的交叉发生频率明显高于剪切黏度恒定值发生的频率。因此，与测量流量曲线或进行蠕变试验相比，测试时间可大大减少。
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图4。190°C下聚丙烯的频率扫描。交叉点由平均分子量和分子量分布确定。 |
粘弹性表征如何解决实际加工问题
对分子参数和加工性能之间关系的全面讨论超出了这篇短文的范围，但下面的例子将说明聚合物的粘弹性表征如何解决实际的加工问题:
挤压过程中管和管规的变异性
低频振荡试验（低于0.1 Hz）表明不同批次材料的弹性模量存在差异。显然，管道规格将取决于聚合物挤出后的回收程度，因此毫不奇怪，规格越高的管道弹性模量越大。
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图5。两个HDPE管道的频率扫描数据。弹性模量越高的样品产生的管径越大。 |
降低不一致的纤维纺丝性能
低频振荡试验能够显示不同批次材料弹性性能的差异。粘度无差异，说明材料分子量一致。
低频弹性的差异与分子量分布的差异有关，分子量分布越宽，分子链缠结越严重，阻碍纤维纺丝过程的向下拉伸。这反过来又会导致最终产品的不一致性。
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图6。复合粘度随频率的变化规律。注意，没有明显的可辨别的区别。 |
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图7。良好和不良PP纤维样品的储能模量与频率的函数关系。不良样品弹性较大，导致纤维直径不一致。 |
毛细管挤出流变仪
先进的毛细管挤出流变仪包括一个温度控制的筒体，包括一个或多个在出口处安装有毛细管模具的精密孔。熔体压力传感器直接安装在模具上方，以记录聚合物熔体以程序设定的流速通过模具时的压力降。
通过使用毛细管模具和“孔口”或“零长度”模具，聚合物熔体的剪切和拉伸粘度可以根据剪切和拉伸速率同时测定。
模涌测定
如果使用激光扫描仪记录挤出胀大和/或挤出熔体强度，则可使用其他附件记录挤出胀大，方法是将聚合物链穿过一系列速度控制的压辊，并记录作为牵引速度函数的力（熔体张力）。
毛细管流变仪的应用
作为一般规则，毛细管流变仪用于测量熔体在比旋转流变仪更高的剪切速率下的特性，并允许在典型的加工条件下测定流动行为。
一个特别重要的考虑是在比其他技术(如反向旋转滑轮装置)更高的拉伸速率下测量拉伸性能的能力，更重要的是在加工线上遇到的拉伸速率下测量拉伸性能的能力。
具体的属性
图8和图9显示了剪切和拉伸的数据，这说明了一个重要而经常被忽视的点:两种聚合物可能具有几乎相同的剪切流动行为，但可能表现出相当不同的拉伸性能。
如前所述，许多聚合物过程(纤维纺丝、吹塑)本质上是拉伸过程，因此测定拉伸粘度比测定剪切粘度更重要。
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图8。剪切粘度与剪切速率的关系。这两种橡胶的数据是无法区分的。 |
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图9。图8所示的相同材料的拉伸粘度与拉伸速率。在伸展性上有明显的差异。欧洲杯足球竞彩 |
毛细管流变仪和加工行为
毛细管流变仪通常用于检查加工行为，而不是确定流变参数:两个例子可以是确定流动不稳定区域和测量壁滑移或临界应力。
熔体破裂
当熔体从一个大的截面流动到一个小的截面时，拉伸应力通常是流动不稳定或熔体断裂的结果。如果拉应力足够大，熔体就会断裂。随着模具长度的增加和模具温度的升高，熔体断裂的影响变得不明显。
增加模具长度可以消除模具入口截面变化的影响，提高温度可以降低黏度，并在相同剪切速率下降低应力。在毛细管流变仪中，熔体断裂的区域显示为如下所示的熔体压力信号的规则振荡。熔体有效地断裂，然后随着相邻元素经历不同的延伸历史，因此在离开模具时将以不同的方式膨胀，而进行改革。
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图10。熔体破裂的证据是由振荡压力信号显示的。材料为聚丙烯，在190°C下测量。 |
计算的流变性能与实际的差异
使用毛细管流变仪计算流变特性时的一个基本假设是，毛细管模具壁上的材料是静止的——这就是所谓的粘滞状态。在实践中，聚合物熔体在临界应力下偏离这种情况，材料流动为叠加在塞流上的剪切流组合。
在毛细管流变仪中，通过测量至少三组具有相同长径比的毛细管模具在相同温度下的流动曲线，可以分析壁面滑移和临界应力的确定。对于没有经历壁面滑移的材料，将产生相同的剪切应力与剪切速率剖面。
在壁面滑移的情况下，在恒定的剪切速率下，切应力随着模具直径的增大而减小。通过对流动数据的分析，可以确定“滑移速度”和临界应力。计算流体动力学软件包通常需要这些参数以及剪切和拉伸粘度数据来预测模具和挤压型材中熔体的流动。
以上两个例子说明了毛细管挤出流变仪可以用来帮助预测聚合物熔体的加工性能。其他测试机制也可以:通过多种流量曲线测量或粘度随时间的变化来测定聚合物降解;在恒定挤压压力下开始流动的临界温度测量;停止流动后的应力松弛;熔体在恒定温度下的压缩性等。
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图11。HDPE在200°C下的流变图。恒应力线揭示了壁面滑移的证据。 |
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图12。在200°C下HDPE的滑移速度与剪切速率。滑移速度采用穆尼法计算。 |
结论
聚合物熔体流变学是一门复杂的学科，需要仔细的实验设计，以获得满足研究人员要求所需的信息。旋转流变仪是获得有关分子结构及其如何影响加工特性的信息时的首选。
特别是，旋转流变仪能够通过测量粘弹性特性轻松提取关于平均分子量和分子量分布的信息，这使得旋转流变仪成为一个强大的工具。毛细管流变仪将实验室可达到的剪切速率范围扩展到旋转仪器可达到的剪切速率范围之外，并允许在典型加工条件下测量流动特性。
此外，在实际生活条件下随时确定剪切和拉伸性质的能力为聚合物生产商和加工商提供了对成功使用聚合物熔体至关重要的信息。最后，毛细管流变仪能够在受控环境中调查加工问题，而无需停止。
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这些信息已经从Malvern Panalytical提供的材料中获得，审查和改编。欧洲杯足球竞彩
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