用旋转流变仪测量聚合物的流变性能

2013-03-19 15:44:19来源: 21IC
概述

当前,聚合物材料在各行业领域中得到了大量应用。根据应用的不同,对聚合物材料的性能要求也不尽相同。就材料本身而言,不同的生产或改性工艺过程决定了其性能的差异,其中分子链的长度或缠结通常是影响其性能的决定性参数。因此,在塑料生产中,优化工艺和质量控制显得尤为重要。

通常,通过流变学测试可以对许多相关的性能做出表征。利用流变仪测定材料流变性能(如流动性、弹性和断裂特性等)的主要目的在于:

1、对材料结构的表征,包括:对聚合物分子量和分子量分布的定性和定量分析,以及对聚合物的支化性能、填充性能、拉伸性能和玻璃化转变温度等的分析。

2、模拟聚合物的加工条件,评定聚合物的加工性能。通过对加工过程的分析,以正确选择加工工艺条件并指导配方设计。

3、对原材料、半成品和最终产品的性能做出评价。

测试技术

为了确保对聚合物熔体的流变测试的准确性,需要选择合适的流变仪、温度控制单元和合适的测量夹。

1、流变仪

Physica MCR流变仪配备了独有的电子整流同步电机马达,采用永磁体驱动器。同时,高精度的空气轴承、光学编码盘和法向应力传感器等使其具有极高的灵敏度和瞬时响应能力。该流变仪的扭矩范围可达7个数量级,转速范围达10个数量级,绝对地惯性校正特性使其即使在高频振荡下也具有优异的测量性能。因此,在同一台流变仪上即可实现真实的应变控制和应力控制。

为了减少测量误差,最新的Physica MCR流变仪还配备了Toolmaster自动识别系统。当安装上转子后,仪器会自动辨识尺寸和序列号。更换控温单元,主机也会自动更新信息。这样一来, 就不会出现混用25mm和50mm直径转子的情况,从而使仪器具有无错、智能的优点。

2、温控单元

通常,聚合物流变性测试的典型温度范围为150~300℃,这也是聚合物较敏感的温度范围。对于很多样品而言,即使温度发生1℃的变化,其粘度的变化就会达到5%,因此需要在流变测试中对温度进行严格控制。一般,只有少数的温度控制单元能适应聚合物流变性测试的要求,而采用开放的温控方式和被动保温的温控方式并不能替代上下主动控温的封闭的温控单元(如图1所示)。

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图1 开放式的温控、被动保温和上下主动控温的封闭温控单元的比较

以下两种测量单元比较适合用于聚合物的流变分析:

(1)对聚合物熔体来说,一种选择是采用带有上部电加热保护罩和下部电加热的测量板加热方式。Anton Paar公司提供了2个温度范围的电加热温控单元:P-ETD350(最高温度350℃)和P-ETD400(最高温度400℃)。这种加热方式高效、快速且易于使用,并且这种加热方式通过充入气体(如氮气),有助于使样品迅速达到控制温度,避免其氧化。此外,还可以避免样品内部出现温度梯度。一般,可将聚合物粒料直接放在下加热板上,达到温度平衡后,测量转子随即下降到刮样位置处,然后由一个刮铲刮掉溢出的样品以进行测量,测量后再用铜刷或者刮板清理上下板。

(2)采用辐射加对流的CTD高温炉,如Anton Paar公司的CTD450温控单元。由于CTD高温炉的设计特点,测量转子和样品都是通过气体加热而不是放在下板上被直接加热,所以这种加热方式具有相对于电加热更长的封闭循环温度控制,可直接测量样品的温度。此外,CTD高温炉完全对称的设计特点使温度梯度达到最小。这种温度控制单元不仅适用于测量聚合物熔体,还可以进行固体的DMTA测试、拉伸测试和UV固化测试等。

3、测量夹具

相比于板板测量系统,锥平板测量系统的优点是,整个测量间隙具有相同的剪切速率。尽管如此,由于锥平板之间的间隙通常保持在50μm左右(1°锥角的锥平板系统),在温度高于或者低于室温的情况下进行实验时,会带来一个问题:如果升温或降温实验导致热胀冷缩,会使流变仪支架和测量系统轴不可避免地发生毫米级的长度变化,从而导致测量误差。因此,绝大多数的科研实验都采用板板测量系统(它具有1 000μm的间隙)。

然而,最近一种新的测量方法(TruGap)可以在-150~280℃的范围内直接测试和调节上下锥/平板或者板板的间隙,这个温度范围是聚合物流变学家十分感兴趣的。采用TruGap锥板系统在整个温度范围内的最大间隙误差不超过1μm。

应用

1、完整的流动曲线:测量零剪切粘度和热塑性材料的可流动性

流动和粘度曲线反映了热塑性材料在不同剪切和加工条件下的流动性能。大多数聚合物的加工采用塑化成型,其过程覆盖很宽的剪切速率范围(见表所示)。为了模拟不同加工过程的流动性,需要测量该加工过程中在剪切速率下的粘度。

如图2所示,在低剪切或低角频率下,聚合物的粘度与剪切速率或角频率无关,即存在零剪切粘度。零剪切粘度是一个重要的材料参数,直接和平均分子量Mw的3.4次方成正比。

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图2 聚合物的流动曲线

利用时温等效原理和Cox-Merz法则,可以得到更宽剪切速率范围下的粘度曲线,该曲线反映了聚合物在不同的加工过程中的流动性。如果利用数据处理软件,即可计算出无穷剪切粘度,意味着所有分子完全解缠和取向。
[1] [2] [3]

关键字:旋转流变仪  聚合物  流变性能

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2013/0319/article_7053.html
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