高压毛细管流变仪介绍（型号：CR-400A）

高压毛细管流变仪介绍（型号：CR-400A）

1  概述

毛细管流变仪是目前发展得成熟、应用*的流变测量仪之一，其主要优点在于操作 简单，测量准确，测量范围宽(剪切速率g& ：10-2～105s-1)。毛细管流变仪可分为两类：一类 是压力型毛细管流变仪，通常简称为毛细管流变仪； 另一类是重力型毛细管流变仪，如乌氏 粘度计（参见第九章）。压力型毛细管流变仪既可以测定聚合物熔体在毛细管中的剪切应力 和剪切速率的关系，又可以根据挤出物的直径和外观，在恒定应力下通过改变毛细管的长径 比来研究熔体的弹性和不稳定流动(包括熔体破裂)现象，从而预测聚合物的加工行为，作为 选择复合物配方、寻求最佳成型工艺条件和控制产品质量的依据； 此外， 还可为高分子加工机械和成型模具的辅助设计提供基本数据， 并可用作聚合物大分子结构表征研究的辅助手段。

根据测量对象的不同，压力型毛细管流变仪又可分为恒压型和恒速型两类。 恒压型毛细 管流变仪的柱塞前进压力恒定， 待测量为物料的挤出速度； 恒速型毛细管流变仪的柱塞前进 速率恒定， 待测量为毛细管两端的压力差。恒速型的物料流动速率可由柱塞的前进速率得到， 其压力可由柱塞上的负荷单元(Instron  流变仪)或料筒壁上的压力传感器(Gottfert  流变仪)测 得。 本章将讨论恒速型压力型毛细管流变仪的测量原理与应用。

压力型毛细管流变仪的构造见图 1，其核心部件是位于料筒下部的给定长径比的毛细

管； 料筒周围为恒温加热套，内有电热丝； 料筒内物料的上部为液压驱动的柱塞。物料经加 热变为熔体后，在柱塞高压作用下从毛细管中挤出， 由此可测量物料的粘弹性。

物料从直径宽大的料筒经挤压通过有一定入口角的入口区进入毛细管， 然后从出 口挤出，其流动状况发生巨大变化。入口区附近物料有明显的流线收敛现象，这将对刚刚进入毛 细管的物料的流动产生较大影响。物料在进入毛细管一段距离之后才能得到充分发展，成为 稳定的流动。而在出口区附近，由于约束消失，聚合物熔体表现出挤出胀大现象，流线又随 之发生变化。因此，物料在毛细管中的流动可分为三个区域： 入口区、*发展的流动区、 出口区(图 2) 。图中 L 为毛细管的总长度， P1 为柱塞杆对聚合物熔体所施加的压力， P0 为大气压， Pe 为出口处的熔体压力。

2  测试原理与方法

2.1  *发展区的流场分析

设毛细管半径为 R，*发展区长度为 L，物料为不可压缩流体，在柱塞压力作用下作 等温稳定的轴向层流。为研究方便，取图 3 所示柱坐标系(r ，  ，z)：

且*发展区的流动长度 L小于毛细管长度 L 。因此，除非毛细管长径比很大(L/D>100)， 否则末端效应(入口、出 口压力降)会显著影响所测粘度的准确性。

入口压力降的存在是由于物料在入口区经历了强烈的拉伸流动和剪切流动，以致于贮存 和消耗了部分能量的结果。实验发现，在全部压力损失中， 95%是由于弹性能贮存引起的， 仅有 5%是由粘性耗散引起的。 因此，对于纯粘性的牛顿流体而言，入口压力降很小，可忽 略不计， 而对粘弹性流体则必须考虑因其弹性形变而导致的压力损失。相对而言，出 口压力 降比入口压力降要小得多，对牛顿流体而言，出 口压力降为零； 对于粘弹性流体， 若其弹性 形变在经过毛细管后尚未*回复，至出口处仍残存部分内压力， 即导致出口压力降。

为了从测得的压差P 准确地求出*发展流动区上的压力梯度， Bagley 于 1957 年提出 了如下修正方法： 虚拟的延长毛细管(实际是*发展流动区)的长度， 将入口区的压力降等 价在虚拟延长长度上的压力降，以保证压力梯度的准确性。记虚拟延长的长度为

注意实验中应保持体积流量恒定。 若流量变化，相当于剪切速率发生变化，则 e0  值不 同。由于入口压力降主要因流体存贮弹性能引起，因此一切影响材料弹性的因素(如分子量、 分子量分布、剪切速率、 温度等)都会对 e0 产生影响。实验表明，当毛细管长径比较小、剪 切速率较大、温度较低时，入口校正不能忽略，否则不能得到可靠的结果； 当毛细管长径比 很大时，入口区压降所占的比重很小，此时可不作入口校正。

2.3 Mooney 校正

利用 Rabinowitsch 校正计算管壁处的剪切速率的前提是流体是均相的， 即粘度是剪切速 率或剪切应力的单值函数。但对于含有填料的体系而言，情形则有所不同，此时会出现管壁 滑移现象。其他影响因素，如粒子的迁移与取向，共混物的凝结或相变，粘性生热等，都会 对实验结果产生影响。这些影响可采用下述方法进行校正，即 Mooney 校正。

假设所有的管壁效应都可用管壁滑移速度来描述。这个速度既可是正值(相当于稀释效 应) ，也可是负值(相当于吸收或稠化效应) 。因此，式(3- 16)可写成

2.4  出口区的流动行为

在毛细管出口区，粘弹性流体表现出特殊的流动行为，主要表现为挤出胀大现象和出口

压力降不为零。

( 1)  挤出胀大现象                                                                 挤出胀大现象通常用挤出胀大比 B＝d/D 描述，其中 d 为挤出物*松弛时的直径， D

为口模直径。其产生原因归为两个方面： 首先是由于物料在入口区经受剧烈的拉伸形变， 贮 存了弹性能，这种弹性形变在物料经过毛细管时得到部分松弛，若至出口处尚未*松弛， 则表现为口模外的继续松弛，即挤出胀大；其次，物料在毛细管内流动时，大分子链在剪切 流场作用下发生拉伸与取向，这部分弹性形变也将在挤出后得到松弛。

高分子链的结构及物料配方对挤出胀大行为有明显影响。一般而言，线型柔性链分子， 内旋转位阻低，松弛时间短，挤出胀大效应较弱。例如， 天然橡胶的胀大比，与同样条件下 丁苯橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶相比要低一些。丁苯橡胶中， 苯乙烯含量高者，其玻璃化温 度高，松弛时间长，挤出胀大比也大。分子量、分子量分布及长链支化度对高分子的流动性 和弹性有明显影响，因而也会对挤出胀大产生影响。此外， 增塑剂能够减弱大分子间的相互 作用， 缩短松弛时间，从而可减小挤出胀大比； 填充补强剂的用量较多，加入后使物料中相 对含胶率降低，尤其象结构性较高的炭黑，吸留橡胶多，因此也会导致挤出胀大比下降。  (2)  毛细管出口压力降不为零

与挤出胀大现象直接关联的是粘弹性流体在毛细管出口处压力降不为零，这两者实质上 均是粘弹性流体在毛细管出口处仍具有剩余可恢复弹性能的表现。

一般挤出胀大比是通过在毛细管出口处采用直接照相、激光扫描或冷凝定型直接测量得 到的， 但测量误差较大，原因是挤出物*松弛的位置不易确定。挤出物直径易受下垂物重 力作用而变细。出 口压力的测定以采用窄缝式毛细管为宜，压力传感器可直接测出毛细管上 的压力梯度， 然后外推得到出口处压力。

2.5  测试方法

现以 Instron 公司的毛细管流变仪为例介绍其操作方法及注意事项。

( 1)   实验之前应根据情况对样品进行干燥或真空干燥；

(2)   依次打开电源，设置实验所需温度， 进行升温；

(3)   每次更换力传感器或改变单位设定及力值显示窗显示“----- "时，应对其进行校正： 按压“LOAD  CAL"、“ENTER"等待数秒，当力值显示窗显示零时，标定完成； 每当调换 夹具或力值显示窗显示不为零时，应对其进行复零： 按压“LOAD  BAL"、“ENTER"等待 数秒，当力值显示窗显示零时，标定完成；

(4)   在毛细管流变仪的控制面板上设置最大负荷(最大负荷应小于支架所承受的力； )、 最小负荷和最大应变、最小应变；

(5)   进入计算机控制菜单， 进行系统参数设置；

(6)   待料筒温度达到设定值并保持恒定后，装上柱塞杆做空车校正；

(7)   取下柱塞杆，向料筒中加料，边加料边压实，直至物料距料筒上端保持一段距离即 可开始实验；

(8)   每次实验完成后先用清洗料清洗料筒，然后趁热用纯棉纱布将压杆、料筒、毛细管 擦拭干净。

注意事项：

( 1)   实验之前应检查机架左侧的机械上、下限位标志是否在合适的位置；

(2)   毛细管是由硬质合金钢制成，应轻取轻放，避免跌落在地上摔碎；

(3)   仪器安装时应注意料筒与柱塞杆的中心对正，否则将导致柱塞杆与料筒之间产生摩

擦，从而既损伤仪器，又影响测试结果； 实验开始时，应当使柱塞杆缓慢地插入到料筒中， 以避免柱塞杆顶到支架上；

(4)   负荷及应变值的符号以拉伸为正值，压缩为负值。