流变学实验2流变仪测动态粘.docx

聚合物熔体动态粘度的测试胡圣飞编实验目的1•了解旋转流变仪的基本结构、工作原理2 •掌握采用旋转流变仪测量聚合物的动态粘度的方法实验仪器TA旋转流变仪（型号：DHR-2）、强制空气加热炉（ETC、空气压缩机、循环泵槽铜铲、铜刷三实验材料高密度聚乙烯圆片（直径2.5mm.厚度1-2mm）四实验原理聚合物受外力作用时，会发生流动与变形，产生内应力流变学所研究的就是流动、变形与应它们依靠旋转运动来产生简单剪切流动，力间的关系旋转流变仪是现代流变仪中的重要组成部分，可以用来快速确定材料的粘性、弹性等各方面的流变性能旋转流变仪一般是通过一对夹具的相对运动来产生流动的引入流动的方法有两种：一种是驱动一个夹具，测量产生的力矩，这种方法最早是由Couette在1888年提出的，也称为应变控制型，即控制施加的应变，测量产生的应力；另一种是施加一定的力矩，测量产生的旋转速度，它是由Searle于1912年提出的，也称为应力控制型，即控制世界的应力，测量产生的应变实际用于粘度等流变性能测量的几何结构有同轴圆筒（Couette）（见图1）、锥板（见图2）和平行板（见图3〉等本实验主要介绍平行板结构的基本工作原理。

图1同轴圆筒结构示意图图2锥板结构示意图图3平行板结构示意图平行板主要用来测量熔体流变性能平行板主要的优点在于（Collyeretal.1988,Macosko1994):① 平行板间的距离可以调节到很小小的间距抑制了二次流动•减少了惯性矫正•并通过更好的传热减少了热效应综合这些因素使得平行板结构可以在更高的剪切速率下使用② 平行板结构可以更方便地安装光学设备和施加电磁场③ 在一些研究中，剪切速率是一个重要的独立变量平行板中剪切速率沿径向的分布可以使剪切速率的作用在同一个样品中得到表现④ 对于填充体系，板间距可以根据填料的大小进行调整因此平行板更适用于测量聚合物共混物和多相聚合物体系(复合物和共混物)的流变性能⑤ 平的表面更容易进行精度检查⑥ 通过改变间距和半径，可以系统地研究表面和末端效应⑦ 平行板的表面更容易清洗平行板的结构(见图3)由两个半径为R的同心圆盘构成，间距为h,上圆盘可以旋转边缘表示了与空气接触的自由边界在自由边界上的界面压力和应力对扭矩和轴向应力测量的影响一般可以忽略这种结构对于高温测量和多相体系的测量非常适宜平行板间距可以很容易的调节：对于直径25mnm勺圆盘，经常使用的间距为1mm至ij2mm对于特殊用途，也可使用更大的间距。

对于高温测堂热膨胀效应被最小化了间距设置的误差也并不是非常重要，并且在多相体系中，间距可以比分散粒子大很多一般的标准是：(1-1)：：：：：：1h式中&是分散粒子的直径并且在大间距下，自由边界上的界面效应可以忽略这种结构的主要缺点是间距中的流(h/Rwl)时，或者在动是不均匀的，即剪切速率沿径向方向线性变化当间距很小低旋转速度下，惯性可以被忽略，稳态条件下的速度分布：敦切速率可以表示为uq=r1-I

本实验者重介绍动态测试模式，动态测试主要指对流体施加振荡的应变或应力，测量流体相应的应力或应变动态测试中，可以便用在被测材料共振频率下的自由振荡，或者采用在固定频率下的正弦振荡这两种方式都可用来测量粘度和模量，不同的是在固定频率下的正弦振荡测试在得到材料性能频率依赖性的同时，还可得到其性能的应变或应力依赖性在动态测试中•流变仪可以控制振动频率、振动幅度、测试温度和测试时间在典型的测试中，将其中两项固定•而系统地变化第三项应变扫描、频率扫描、温度扫描和时间扫描是基本的测试模式应变控制型流变仪的动态频率扫描模式是以一定的应变幅度和温度，施加不同频率的正弦形变，在每个频率下进行一次测试对于应力控制型流变仪，频率扫描中设定的是应力的幅度频率的增加或减少可以是对数的和线性的•或者产生一系列离散的频率在频率扫描中，需要确定的参数是：应变幅度或应力幅度，频率扫描方式（对数扫描，线性扫描和离散扫描）和实验温度从频率扫描可以得到的信息包括：① 与分子量密切相关的粘度数据；② 从分子量数据和分子量分布，可以检测到长支链的含量；③ 零剪切粘度可以从损耗模量G'求得，平衡可恢复柔量J«°可从储能模量G求得，平均松弛时间入「可从J.和。

的乘积求得1011护mi图4一种窄分子量分布的聚苯乙烯(分子量(MW)=170000)的动态频率扫描曲线动态频率扫描可以用来分析材料的时间依赖行为图4显示了一种窄分子量分布的聚苯乙烯的频率扫描结果通过研究在很宽温度范围内的储能模量和耗能模量的频率依赖性，并利用时温叠加原理，可以得到超出测量范围很宽的数据五仪器介绍TA旋转流变仪(型号：DHR-2主要包括拖杯马达(Dragcupmotor)、磁悬浮轴承、位置传感器(Positionsensors)等组成，并配置了各种结构的夹具完成整个实验必须配备的仪器有：强制空气加热炉(ETC)、空气压缩机、循环泵槽仪器的性能指标为：Nominaloperatingvoltage110Vor220Torquerange0.05j\m--200mNmSpeedFrequency图5流变仪结构示意图六实验内容步骤1 10nanorad/s—600rad/smicroHz100HzC—550CTemperaturerange-150流变仪的结构示意图如图5所示拖杯马达Dragcupmotor磁悬浮轴承位置传感器Positionsensors测量系统Measuringsystem样品Temperaturecontrolledsample1-检查气源。

1)合上空压机电源，将空压机开关拔至“auto”位>空压机启动2)将空气调节器上的开关旋开，3bar到流变仪，5bar到ETC2 •打开循环水浴开矣手放在水浴箱上能感受到轻微震动，说明循环水已开)3 -打开温度控制器(ETC,ExtendedTemperatureCell)打开流变仪背后的电源开关当GAP面板显示之后，按UP(t箭头)键，空气轴承组件会自动升降初始化，初始化结束后，0K灯就会亮起打开电脑，运行TRIOS软件，使用用户名和密码登录，或者只点击0K进入点击Viscometery>然后点击ZeroGap(位移)旁边的方形按钮，对位置进行归零，确保位置的读数会有小幅变化1) 检查温度的读数不会显示“”点击GAP按钮，进入模拟的GAP控制面板，检查通信，确保窗口下方的状态栏没有"CommunicationsDown“显示2) 返回主界面4. 选择适当的测试模式，点击进入安装夹具点击Measuringsystem下边的SELECT按钮，选择相对应的测量系统设定温度测试前可以在ManualSetting选项内进行设置,然后按Tab键，仪器会自动到达设定温度间距校零确保已经安装了测量系统，按“ZERO*按钮，等待GAP面板显示为“0000,OK灯亮起。

加载样品按UP键，抬升轴承组件，将样品放在下板中央，待温度平衡后，调节GAP用刮铲刮掉溢出的样品1) 打开轴承下面的插销，点击“Start,,按照设定的参数开始测试5. 测试结束后保存数据按UP键抬升测量系统，将样品取出，并将夹具清理干净6. 关机1)退出软件，关闭流变仪开关2) 矣闭ETC开关3) 矣闭循环水浴电源4) 将空压机电源拔至“0"位>将储水盒中的水倒掉•待空压机风扇停止转动后，关闭空压机电源5) 矣闭电脑六注意事项空气轴承是旋转流变仪的核心部分，在使用流变仪之前一定要接通空气，如果没有接通空气，任何使用和搬动流变仪都可能会导致空气轴承损坏1. 打开循环水浴后如果水没有循环，迅速提起瓶子'直到水开始流动为止3 -插销防止轴承旋转，通常是用于安装测量系统和加载样品直到测试之前，都必须将转轴上的凹槽与插销对准，将转轴锁定4 •安装测量系统时，先松开螺丝，然后左手托住测量系统，右手拧紧螺丝5 •每次更换了测量系统都必须重新校零6- 样品加载过程中应避免破坏材料的结构样品加载不要加的太多，也不要加的太少，可以使用平面刮刀将多余的样品刮掉7- 测试结束后ETC、夹具等可能很烫，应小心触碰，以免烫伤，必要时应戴手套。

禁止使用腐蚀性、酸性等液体清洗夹具七数据处理测试温度：应变：f/Hzo/rad/sG/PaG7PaG7PaHVPa•ser/Padr1 •根据测定的结果作图2 •分析废合物的流变特性3 -分析测试;'显度对聚合物流变特性的影响4 •零剪切粘度的计算分子量分布的不同会导致借能模量和损耗模量在不同的频率相交因此，可以利用交点处模量的大小来定义流变多分散性指数PI(Zeichner&Patel.1981)106PI—（1-11）Gx式中Gx=GG”是储能模量和耗能模量交点处的模量窄：反之（单位为Pa）.PI越小，分子量分布越PI越大，分子量分布越宽流变多分散性指数PI的应用有严格的限制范围，它只适用于Ziegler-Natta催化合成的聚丙烯样品，对其他样品的适用性不好（Bafna.1997Chambon.1995）储能模量和耗能模量交点处的频率只是多分散性指数的函数，满足In=14.73-0.237lnPI（1-12）利用方程（1-12）可以很方便地估计聚合物我零剪切粘度，而不用花很长时间作低频或低剪切速率的测试0.matGn=4/二GHdIn-■<1-13）式中・mx是平台区G'的最大值对应的・•。

通常对于无定形高聚物，所在•对应的G。