流变仪材料加工的重要伙伴

流变仪:材料加工的重要伙伴

原料供应商使用流变仪来测量聚合物熔体的粘弹性是一件相当普通的事情，现在越来越多的塑料混合商也开始使用它。利用流变仪可评估树脂在常规质量管理下的可加工性，或将其用作研发工具，决定在某一生产条件或应用条件下使用哪种材料最好。

流变仪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越来越高。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好的精确度，并附带软件和硬件，可以扩大测试范围。

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，那么可以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为真实的信息。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。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，它们可以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以及粘弹性。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比较低，它们可以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极为重要的。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，它只是通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，那么应该首选毛细管流变仪，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，可用于质检各打3道结。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，这时就需要使用动态旋转式流变仪。

毛细管流变仪

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。这种设备可以同时进行不同条件下的两组实验。还有式的毛细管流变仪，它可以安装在挤出机上。

毛细管流变仪的主要供应商有Ceast、Dynisco Polymer Test、 Goettfert、Malvern Instruments （2003年收购了Bohlin Instruments/Rosand）以及Thermo Electron （以前的Thermo Haake）。

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 。

最常见的毛细管流变仪是单头的，如Goettfert的Rheotester 500（它既可用作流变仪，又可用作熔融指数仪）、Dynisco的LCR 7001、Ceast的Rheologic 2500、Malvern Instruments (Rosand)的 RH2100、以及Thermo Electron(Haake)的RheoCap S20等。

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。因为可以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可以自行计算Bagley或其他修正，这样得到的绝对黏度就更为可靠。这是通过使用口径相同，长得出实验结果度不同的口模，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。检测发现了这一问题就说明有必要减小添加剂的用量，从而能够降低成本并改善加工。

常用的双头毛细管流变仪有Ceast的Rheologic 5000、Goettfert的几近渗透到所有的材料利用领域Rheotester 2000、 Dynisco Polymer Test的LCR 7002、 Malvern Instruments (Rosand) 的RH 2200、以及Thermo Electron (Haake) 的RheoCap T100。

粘弹性的测量

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无法获得这些数据。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。根据公司经理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。另外还能采用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，这种软件程序可以很早地预计出结果，能节省60%的试验时间。

式流变仪

混合商和树脂供应商无需再每隔几个小时将生产试样送去实验室等待结果出来了，利用式流变仪他们可以对产品质量进行实时监控。这种流变仪从挤出机中取得熔体进行测试，完成后熔体被丢弃或重新返还到挤出机中。Thermo Electron公司的Correa 先生说，他们公司的式加工控制流变仪（PCR 630）已被主要树脂生产厂家所采用，其挤出机以60000lb/h的速率运行(1 lb=0.4536kg)。很明显，他们等不及去测试材料是否符合要求。对于其他生产商来说，超过 $100000的设备费用也是引进该机器的一个障碍。最近两家供应商引入了一种只须 $50000的式仪器。据说Dynisco公司的ViscoSensor 是最小的式返流毛细管流变仪，这款流变仪性能可与高级设备相比拟。Pavero先生提到，目前已经有部分商家在使用它，如混合商、PET和聚烯烃片材及薄膜的挤出商、高档PET回收商以及尼龙模型和棒材的挤出商等。一家生产用于热成型盘的PET片材厂将这种设备用于黏度和湿度分析，因为它们可以检测输入电压，如果干燥器没能充分运行的话它们能够立即做出反应。同时，Thermo Electron 还在德国研制出一种系统，现在在美国也有生产。ProFlow流变仪的基本售价为$50000，但试验用过的材料并不返还到挤出机中。

在高档设备中，Goettfert公司的小型式流变仪 MBR常常被PET生产商用于检测生产的输入电压。该公司的实时流变仪(RTR)是一种返流系统，它在塑料检测中具有一定特色。在检测中，有些粘性很大的材料需要半个小时之久才能通过挤出口模，这就意味着在这半个小时内，工厂可能一直在使用不合格的材料。而RTR附加有一台流通泵，可以使材料试样在5min内送达流变仪，避免了这一现象的发生。

扭矩