流变仪--材料加工的重要“伙伴”

来源：米乐m6网页    发布时间：2024-08-01 14:06:20

　　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慢慢的升高。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加好的精确度，并附带软件和硬件，能扩大测试范围。

　　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，那就能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，它们能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和粘弹性。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来说还是比较低，它们能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很重要的。用于塑料材料的旋转式流变仪的售价为$40000～ $90000。

　　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，它只是经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，这时就需要用动态旋转式流变仪。

　　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。这种设备能一起进行不同条件下的两组实验。还有在线式的毛细管流变仪，它能安装在挤出机上。

　　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 。

　　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。因为能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能自行计算Bagley或其他修正，这样得到的绝对黏度就更为可靠。这是利用口径相同，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。

　　据Ceast公司的Nelson先生所说，双头毛细管流变仪在检测滑壁效应时也非常理想。润滑剂、颜料或其他添加剂的加入可能会引起这一现象。检验测试发现了这一问题就说明有必要减小添加剂的用量，从而能够减少相关成本并改善加工。

　　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没有办法获得这一些数据。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。依据公司经理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。

　　Malvern Instruments 公司的市场部副经理Randy Byrne认为，通过与专门的软硬件相结合，中级RH2000 (Rosand)和高级RH10系列(Bohlin)流变仪都能测定出口膨胀。后者带有一个高分辨率的激光器，可以测量熔体流出口模时的直径。

　　Malvern公司的Rosand毛细管流变仪通过一个熔体强度装置来测量伸长黏度，并能获得其他一些与加工相关的物理量，如滑壁速率、熔体破碎、热降解以及应力松弛。同样的，Ceast的流变仪现在可以装配上伸缩设备，进行熔体张力分析，提供伸长黏度数据。另外还能采取了激光系统测量出口膨胀。Ceast公司建议用一种平衡压力预测(ESP)程序作为标准软件。 Nelson先生介绍说，不必等着每次活塞运动速率（剪切速率）稳定后再绘出流变曲线，利用所达的平衡压力，这种软件程序能很早地预计出结果，能节省60%的试验时间。