聚合物流變性能的應用研究

隨著人們對轉矩流變儀應用研究的深入和功能的拓展，它己成為聚合物共混及實驗流變學中*的重要工具，可廣泛用于原材料、生產工藝的研究、開發與產品質量控制等領域。

• CTR-100型轉矩流變儀聚合物流變性能的研究

為將轉矩流變儀的輸入( 轉速、溫度 )、輸出參數( 轉矩、料度 )與物料的流變性能聯系起來，Goo-drich和Porter首先建立了轉矩與轉子轉速之間的線性關系，Blyler和Daane則進一步考慮了溫度對轉矩的影響，提出了如下關系式:M=C(n)mNn 。但是與C(n)有關的幾個數無法直接得到。Lee和Purdon，Marquez等分別推導出了不同的C(n)進行擬合，提出了一種計等α的簡化方法。引入了無量綱參數C'(n)來消除密煉室以及轉子幾何尺寸的影響，并采用指數模型擬合得到了α和C'(n)之間的關系式，從而可以準確預測α大于0.9時C'(n)及 C(n)的變化趨勢。與以上研究者不同，Bousmina等則認為α是與聚合物材料特性及流變性能天關的常數，對高聚物熔體的流變性能及其在轉矩流變儀中的流變行打并不敏感。認為，當等效同軸圓筒的間隙非常小[(R2－R1)/ R2<<1]時，r = (R1＋R2)/2處的剪切速率僅與轉速有關，而與熔體的類型無關，因此可采用牛頓流體來進行計算剪切速率和粘度。

但是，所有這些研究都忽略了一個明顯的事實：對于密閉混合器而言，物料通常并不是*充滿混合器的內腔，而是以一定的比率進行填充。在Haake轉矩流變儀的用戶手冊中，建議物料的填充體積與混合室內腔的體積之比為65%～90%。此時，處于熔融狀態的物料是否能充滿整個混合器呢？如果不能，那么對轉矩流變儀中的聚合物熔體進行流變學分析是否需要修正呢？持此采用統計實驗設計方法合理安排實驗計劃，并對以前的工作進行了進一步發展，提出了采用轉矩流變儀研究聚合物流變性能的新模型。

圖一，是采用數碼相機拍攝得到的HDPE熔體在Haake密閉式混合窒中的正視圖。實驗條件是：表觀填充系數f(即物料的填充體積與混合室空腔的體積之比)=70%，溫度T =170℃，共混時間t =8 min 。顯然，填充系數指70%時聚合物熔體未能*充滿整個混合室。

圖一

CTR-100型轉矩流變儀平衡轉矩的計算

  圖二，在實驗中典型的轉矩和溫度隨時間變化的曲線。從圖中可以看出，在實驗的初始階段，轉矩曲線上出了一個尖銳的加料轉矩峰，溫度曲線則在相應位置出現了大幅度的下降。其原因是固體聚合物粒子加入到混合器中后，在熱的作用下粒子表面首先熔融，粘連在一起的粒子對自己旋轉的轉子產生了很大的阻礙，從而導致轉矩急劇上升；而聚合物粒子的熔融又需要大量的熱量，因此混合室的溫度急劇下降；當粒子的內核開始熔融時，轉矩開始下降。在實驗的第二階段，即在3 min時，轉速申最初的10r/min程序控制升至40r/min，相應的轉矩有一個較大的躍升，然后再次緩慢下降。由于起冷卻作用的壓縮空氣不能及時地將因剪切而產生的熱量帶走，因此導致物料溫度隨時間延長而升高。值得指示的是，無論是轉矩緩慢下降、還是濕度的緩慢升高，兩者都是以指數衰減的方式趨于各自平衡值。

圖二：Haake轉矩流變儀得到的典型轉矩、溫度曲線

因此，可以采用指數衰減模型來描述轉矩和溫度隨時間的變化：

M =MB+Aexp(－t－t0／λM)          2-1

T = TB－Bexp(－t－t0／λT)          2-2

式中：MB是平衡轉矩； TB是平衡溫度； t0是轉由10r/c升至設定轉速的時間，即實驗中第二階段開始的時間 (３min ) 。A、B、λM、λT均為待定系數。可以看出，λM、λT反映了轉矩、溫度隨時間變化的快慢，即與聚合物材料的松弛特性有關。當(t－t0)／λM或(t－t0) ／λT趨于無窮大時，上述兩式的右邊第二項均趨于零，轉矩和溫度也趨于其平衡值MB和TB；

lim     M=MB                                         2-3

(t－t0) λM →∞

lim     T = TB                                         2-4

(t－t0) λT →∞

基于上述兩式，可以對實驗中第二階段的轉矩和溫度曲線進行擬合，從而得到聚合物熔體在轉矩流變儀中混合的MB和TB。

將整個試驗過程分為兩個階段的優點在于：①加料葉采用低轉速可避免加料轉矩峰值過大，從而保護儀器設備；②在低轉速下對聚合物熔體進行３min的預混合，可消除因加料速度不同等未知因素對測試結果的影響，從而保證所有試驗在第二階段都是從相同的起始狀態開始的。