用旋轉(zhuǎn)流變儀測量聚合物的流變性能
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當(dāng)前，聚合物材料在各行業(yè)領(lǐng)域中得到了大量應(yīng)用。根據(jù)應(yīng)用的不同，對聚合物材料的性能要求也不盡相同。就材料本身而言，不同的生產(chǎn)或改性工藝過程決定了其性能的差異，其中分子鏈的長度或纏結(jié)通常是影響其性能的決定性參數(shù)。因此，在塑料生產(chǎn)中，優(yōu)化工藝和質(zhì)量控制顯得尤為重要。
通常，通過流變學(xué)測試可以對許多相關(guān)的性能做出表征。利用流變儀測定材料流變性能（如流動性、彈性和斷裂特性等）的主要目的在于：
1、對材料結(jié)構(gòu)的表征，包括：對聚合物分子量和分子量分布的定性和定量分析，以及對聚合物的支化性能、填充性能、拉伸性能和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等的分析。
2、模擬聚合物的加工條件，評定聚合物的加工性能。通過對加工過程的分析，以正確選擇加工工藝條件并指導(dǎo)配方設(shè)計(jì)。
3、對原材料、半成品和最終產(chǎn)品的性能做出評價。
測試技術(shù)
為了確保對聚合物熔體的流變測試的準(zhǔn)確性，需要選擇合適的流變儀、溫度控制單元和合適的測量夾。
1、流變儀
Physica MCR流變儀配備了獨(dú)有的電子整流同步電機(jī)馬達(dá)，采用永磁體驅(qū)動器。同時，高精度的空氣軸承、光學(xué)編碼盤和法向應(yīng)力傳感器等使其具有極高的靈敏度和瞬時響應(yīng)能力。該流變儀的扭矩范圍可達(dá)7個數(shù)量級，轉(zhuǎn)速范圍達(dá)10個數(shù)量級，絕對地慣性校正特性使其即使在高頻振蕩下也具有優(yōu)異的測量性能。因此，在同一臺流變儀上即可實(shí)現(xiàn)真實(shí)的應(yīng)變控制和應(yīng)力控制。
為了減少測量誤差，最新的Physica MCR流變儀還配備了Toolmaster自動識別系統(tǒng)。當(dāng)安裝上轉(zhuǎn)子后，儀器會自動辨識尺寸和序列號。更換控溫單元，主機(jī)也會自動更新信息。這樣一來, 就不會出現(xiàn)混用25mm和50mm直徑轉(zhuǎn)子的情況，從而使儀器具有無錯、智能的優(yōu)點(diǎn)。
2、溫控單元
通常，聚合物流變性測試的典型溫度范圍為150～300℃，這也是聚合物較敏感的溫度范圍。對于很多樣品而言，即使溫度發(fā)生1℃的變化，其粘度的變化就會達(dá)到5%，因此需要在流變測試中對溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。一般，只有少數(shù)的溫度控制單元能適應(yīng)聚合物流變性測試的要求，而采用開放的溫控方式和被動保溫的溫控方式并不能替代上下主動控溫的封閉的溫控單元（如圖1所示）。
圖1 開放式的溫控、被動保溫和上下主動控溫的封閉溫控單元的比較
（1）對聚合物熔體來說，一種選擇是采用帶有上部電加熱保護(hù)罩和下部電加熱的測量板加熱方式。Anton Paar公司提供了2個溫度范圍的電加熱溫控單元：P-ETD350(最高溫度350℃)和P-ETD400(最高溫度400℃)。這種加熱方式高效、快速且易于使用，并且這種加熱方式通過充入氣體（如氮?dú)猓?，有助于使樣品迅速達(dá)到控制溫度，避免其氧化。此外，還可以避免樣品內(nèi)部出現(xiàn)溫度梯度。一般，可將聚合物粒料直接放在下加熱板上，達(dá)到溫度平衡后，測量轉(zhuǎn)子隨即下降到刮樣位置處，然后由一個刮鏟刮掉溢出的樣品以進(jìn)行測量，測量后再用銅刷或者刮板清理上下板。
（2）采用輻射加對流的CTD高溫爐，如Anton Paar公司的CTD450溫控單元。由于CTD高溫爐的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，測量轉(zhuǎn)子和樣品都是通過氣體加熱而不是放在下板上被直接加熱，所以這種加熱方式具有相對于電加熱更長的封閉循環(huán)溫度控制，可直接測量樣品的溫度。此外，CTD高溫爐完全對稱的設(shè)計(jì)特點(diǎn)使溫度梯度達(dá)到最小。這種溫度控制單元不僅適用于測量聚合物熔體，還可以進(jìn)行固體的DMTA測試、拉伸測試和UV固化測試等。
3、測量夾具
相比于板板測量系統(tǒng)，錐平板測量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是，整個測量間隙具有相同的剪切速率。盡管如此，由于錐平板之間的間隙通常保持在50μm左右(1°錐角的錐平板系統(tǒng))，在溫度高于或者低于室溫的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，會帶來一個問題：如果升溫或降溫實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致熱脹冷縮，會使流變儀支架和測量系統(tǒng)軸不可避免地發(fā)生毫米級的長度變化，從而導(dǎo)致測量誤差。因此，絕大多數(shù)的科研實(shí)驗(yàn)都采用板板測量系統(tǒng)（它具有1 000μm的間隙）。
然而，最近一種新的測量方法（TruGap）可以在-150～280℃的范圍內(nèi)直接測試和調(diào)節(jié)上下錐/平板或者板板的間隙，這個溫度范圍是聚合物流變學(xué)家十分感興趣的。采用TruGap錐板系統(tǒng)在整個溫度范圍內(nèi)的最大間隙誤差不超過1μm。
應(yīng)用
1、完整的流動曲線：測量零剪切粘度和熱塑性材料的可流動性
流動和粘度曲線反映了熱塑性材料在不同剪切和加工條件下的流動性能。大多數(shù)聚合物的加工采用塑化成型，其過程覆蓋很寬的剪切速率范圍(見表所示)。為了模擬不同加工過程的流動性，需要測量該加工過程中在剪切速率下的粘度。
如圖2所示，在低剪切或低角頻率下，聚合物的粘度與剪切速率或角頻率無關(guān)，即存在零剪切粘度。零剪切粘度是一個重要的材料參數(shù)，直接和平均分子量Mw的3.4次方成正比。
圖2 聚合物的流動曲線
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