流变学实验-2-流变仪测动态粘度.doc

聚合物熔体动态粘度的测试胡圣飞　编一 实验目的1.理解旋转流变仪的基本构造、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措施二　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、变形与应力间的关系旋转流变仪是现代流变仪中的重要构成部分,它们依托旋转运动来产生简朴剪切流动,可以用来迅速拟定材料的粘性、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措施有两种：一种是驱动一种夹具，测量产生的力矩,这种措施最早是由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１9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构造有同轴圆筒（Cｏuｅtｔe)（见图1）、锥板（见图２)和平行板(见图3)等本实验重要简介平行板构造的基本工作原理。

图1　同轴圆筒构造示意图 　 　　 　图2　锥板构造示意图　 　 图３　平行板构造示意图平行板重要用来测量熔体流变性能平行板重要的长处在于（Ｃoｌｌｙeｒ et ａｌ. 1988,Macoｓkｏ 19９４)：①平行板间的距离可以调节到很小小的间距克制了二次流动，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构造可以在更高的剪切速率下使用②平行板构造可以更以便地安装光学设备和施加电磁场③在某些研究中,剪切速率是一种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种样品中得到体现④对于填充体系,板间距可以根据填料的大小进行调节因此平行板更合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通过变化间距和半径,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构造(见图3）由两个半径为R的同心圆盘构成，间距为ｈ,上圆盘可以旋转边沿表达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视这种构造对于高温测量和多相体系的测量非常合适平行板间距可以很容易的调节：对于直径2５mｍ的圆盘,常常使用的间距为1mｍ到2mm,对于特殊用途,也可使用更大的间距。

对于高温测量热膨胀效应被最小化了间距设立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诸多一般的原则是： 　 　　　 　 　　 　 　 　　 　　　(1－1)式中ｄp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视这种构造的重要缺陷是间距中的流动是不均匀的,即剪切速率沿径向方向线性变化当间距很小（h／R<<１)时,或者在低旋转速度下,惯性可以被忽视，稳态条件下的速度分布: 　　 　 　　 　 　 (1－2)剪切速率可以表达为 　 　　 　 　 　 　 　　(1-3）对于非牛顿流体,由于剪切速率随径向位置而变化,粘度不再与扭矩成正比,因此需要进行Roｂinowitｓh型的推导(Ｃａrｒeaｕ　ｅt al. 1997）扭矩 　 　　 　 　　 　（1－4)将方程（1-4）中的变量r换成，得　 　　　 　 　　 　 （１-5)结合方程(1-3),这个成果可以写成　 　 　 　 　 　 　 　（1-６）对求导,并运用Lｅiｂｎitz法则,可以得到　 　 　 　 　 (１-7)应用方程（１-6），得到最后的粘度表达: 　　 　 　　　 　 (1-8)对于非牛顿流体，一方面用lnT对ln作图,然后运用局部斜率从方程(１-8)计算粘度。

对于满足指数定律的流体，扭矩 　　　 　　　 　　 　 (１-９)且ｌnＴ与nｌn成比例,因此粘度可以由如下简化的体现式给出: 　 　 　 　　　 　 (１-10)选择流变仪的测试模式一般可以分为稳态测试、瞬态测试和动态测试，辨别它们的原则是应变或应力施加的方式本实验着重简介动态测试模式，动态测试重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,可以使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步,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长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，需要拟定的参数是: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涉及:①与分子量密切有关的粘度数据;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h0可以从损耗模量G”求得，平衡可恢复柔量Je0可从储能模量G’求得，平均松弛时间λｒ可从Je0和h0的乘积求得图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成果通过研究在很宽温度范畴内的储能模量和耗能模量的频率依赖性,并运用时温叠加原理，可以得到超过测量范畴很宽的数据五 仪器简介TＡ旋转流变仪（型号：DＨＲ-2）重要涉及拖杯马达(Dｒａｇ　cup mｏtor)、磁悬浮轴承、位置传感器（Positｉon　sｅnｓoｒｓ)等构成,并配备了多种构造的夹具完毕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：Noｍｉnal　opｅratiｎg voltａｇe １10V　ｏr　２２0Tｏrque rａｎge 　 　　　 　 　 　 0．0５mNm-－-20０ｍNmSｐeeｄ　 　　　　 　 　 　 　 　　　　10ｎano　raｄ／s－－-６００ｒaｄ／sFrequencｙ 　　 　 　 　 　　 １micro　Ｈz－-－100ＨzTempeｒaturｅ raｎｇe 　 　　　　 　　　-１50℃－－－5５0℃流变仪的构造示意图如图５所示。

§ 拖杯马达Drag cup motor§ 磁悬浮轴承§ 位置传感器Position sensors§ 测量系统Measuring system§ 样品 Temperature controlled sample图5 流变仪构造示意图六 实验内容环节1． 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． 打开循环水浴开关手放在水浴箱上能感受到轻微震动,阐明循环水已开)3． 打开温度控制器（ETＣ, Exｔendｅd　Ｔeｍpｅraｔuｒｅ　Ceｌl）4． 打开流变仪背后的电源开关当GAP面板显示“----”之后,按UP(上箭头）键,空气轴承组件会自动升降初始化,初始化结束后,ＯK灯就会亮起5． 打开电脑,运营TRＩＯＳ软件,使用顾客名和密码登录,或者只点击ＯK进入1） 点击Viｓcｏｍeｔｅry，然后点击Zerｏ Gａｐ（位移）旁边的方形按钮，对位置进行归零,保证位置的读数会有小幅变化2） 检查温度的读数不会显示“---－”3） 点击GAＰ按钮,进入模拟的GＡＰ控制面板，检查通信,保证窗口下方的状态栏没有“Cｏmmuniｃaｔions Ｄown”显示。

4） 返回主界面6． 选择合适的测试模式,点击进入1） 安装夹具点击Meａsuriｎg sｙｓtｅm下边的ＳＥLECＴ按钮，选择相相应的测量系统2） 设定温度测试前可以在Manual　Ｓeｔtiｎｇ选项内进行设立,然后按Tab键,仪器会自动达到设定温度3） 间距校零保证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4） 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5） 打开轴承下面的插销，点击“Sｔarｔ”按照设定的参数开始测试7． 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8． 关机1） 退出软件,关闭流变仪开关2） 关闭ＥＴC开关3） 关闭循环水浴电源4） 将空压机电源拔至“０”位，将储水盒中的水倒掉,待空压机电扇停止转动后,关闭空压机电源5） 关闭电脑六 注意事项１．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也许会导致空气轴承损坏2.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.插销避免轴承旋转,一般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构造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、夹具等也许很烫，应小心触碰，以免烫伤，必要时应戴手套8．严禁使用腐蚀性、酸性等液体清洗夹具七 数据解决测试温度: 　 　　　　 　 应变: 　　 ｆ/Hｚw /rad／sＧ’/PaG”/ＰａＧ＊/Pah*/Pａ·ss　／Ｐad /°1． 根据测定的成果作图2． 分析聚合物的流变特性3． 分析测试温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储能模量和损耗模量在不同的频率相交因此,可以运用交点处模量。