流变仪--材料加工的重要“伙伴”

作者：现代塑料

欢迎访问e展厅 展厅 9 试验机展厅 干燥箱, 老化试验箱, 环境试验箱, 盐雾试验箱, 恒温恒湿箱, ... 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。在线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。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。还有在线式的毛细管流变仪，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。但对于在线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。 在线式流变仪 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，利用在线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，他们公司的在线式加工控制流变仪（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的在线式仪器。据说Dynisco公司的ViscoSensor 是最小的在线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在线系统，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公司的小型在线式流变仪 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。 扭矩式流变仪 扭矩式流变仪的核心部件是一个特殊的发动机，它可以测量轴上的扭矩。其驱动系统能与可交换附件，如小型实验室混合机或单、双螺杆挤出机连接在一起。设备供应商包括C.W. Brabender公司和Thermo Electron公司。 扭矩式流变仪和数据获取软件相连，就能对生产扭矩、驱动速率、温度和压力进行追踪。这些数据能够说明材料加工以及不同添加剂分散的难易程度。在聚合物工业中，扭矩式流变仪最初用于PVC和橡胶的检测，这是由它们配方中的添加剂所决定的。例如，扭矩式流变仪有助于评估配方是否容易降解。当材料开始交联时，PVC扭矩会变大。 C.W. Brabender公司的应用试验室经理Andrew Yacykewych说，扭矩式流变仪现在可用于各种热塑性塑料的测试，包括纳米复合材料和木塑材料。这种设备还能用于研究热固性材料，尤其是不饱和聚酯和酚醛塑料的硬化行为。据Yacykewych 所说，使用扭矩式流变仪的厂商主要进行薄膜、片材、管材以及涂料的挤出。这种控制精确的小型挤出机还能用于导管等制品的小批量生产。 Thermo Electron 的Martin 先生说，扭矩式流变仪的最新进展包括一种特殊的传感器。混合商和母料供应商用它来测量材料的导热和导电性，作为质检设备对添加剂（如碳黑）的分散情况及性能进行检测。 混合商还能用扭矩式流变仪对双螺杆挤出生产线进行小规模的模拟。Thermo Electron公司新型PolyLab 系统是一种组合扭矩式流变仪，用于实验室或试验工场的生产模拟。 Martin 说，许多混合商刚开始设计配方时，使用小型的间歇式混合组件。一旦确定了基本配方，就可以使用双螺杆挤出机连续地进行混合。然后材料经造粒，输送到一个连有扭矩式流变仪的单螺杆挤出机上，由小型吹膜生产线成型，得到塑料袋。公司的 PolyDrive 生产线包括有一个稍便宜的流变仪以及一个专用混合机或挤出机，它们两者不能互换。例如，PVC混合商如果想使用这种设备进行PVC熔融试验，那么专用的PolyDrive 混合机就能令他满意。PolyDrive 系统（包括软件在内）售价在$35000 到$45000之间。 C.W. Brabender公司的顶级设备Intelli-Torque Plasti-Corder已有四年的应用历史，它拥有高精度的数字伺服驱动系统，在整个0.2～150r/min的速度变化范围内，扭矩可在1 ~ 400 Nm之间变化。最近公司引入了ATR Plasti-Corder装置，其驱动较小（2.5 马力），价钱更低。ATR适用扭矩高达160 Nm，可与任何Brabender混合机或单螺杆挤出机相连。 Brabender公司新型扭矩式流变仪软件Winmix适用于间歇式混合机，内含可用于PVC、弹性体、聚烯烃、热固性材料以及工程塑料的评估程序。测试范围包括增塑剂或流体吸收、流动和硬化行为、加热和剪切稳定性、硬质 PVC的熔融行为以及炭黑的结合时间。 Winext也是一种用于挤出的新软件，它可以评估聚合物在近似真实生产条件下的粘度。 动态旋转式流变仪 动态旋转式流变仪的主要部件是一个发动机、一个光编码器、一个扭矩感应装置和一个能在发动机轴上施加压力的工具（用于塑料应用）。另一个关键的部件是空气轴承，它使发动机和扭矩感应装置能够漂浮起来，使摩擦最小化。这种流变仪的主要供应商包括有Thermo Electron (Haake)公司、TA Instruments (包括以前的 Rheometric 设备) 公司以及Malvern Instruments (Bohlin)公司。 动态旋转式流变仪以连续旋转和振荡的形式运作。小角度的振荡最常用于塑料的测试中，这种振荡可以提供粘弹性的信息，如熔融黏度、分子质量、重均分子量分布和聚合物松弛，这些都对材料的加工有着影响。设备软件可以绘制出弹性模量及粘性模量与振荡频率（rad/s）的关系图。这种测试的剪切比较小，其扫描程序可使振荡幅度由小到大变化，以模拟不同的加工剪切条件。 动态旋转式流变仪有三种不同的压力传感装置：锥板／平板式、平板／平板式、和同心圆柱式。最后一种主要用于粘合剂和涂料。平板／平板式（或平行板式）装置可用于测试热塑性熔体和热固性材料（必须使用一次性板）材料。锥板／平板式设备主要用在剪切恒定情况和法向力测试中（与热塑性塑料的出口膨胀相联系）。还能采用平行板或锥板/平板式传感器对固体塑料进行蠕变研究。实验时，对试样施加恒定的压力，而后检测张力。通过蠕变实验可以直接测得平衡恢复柔量和零切黏度。 TA Instruments公司的AR 系列流变仪是常见的用于塑料的动态流变仪。它采用了CMT（电机和传感器相组合）技术。TA Instruments 申请了专利的SMT（电机和传感器相分离，解决了惯性问题）装置稍贵一些，但在塑料测试使用中仍较普遍。它直接测量驱动主机上的扭矩，大大减少了校准的次数。例如，CMT 流变仪在测量低黏度时有困难，因为相对于材料阻力来说，此时转子和传感器的惯性显得更大了。这样的问题在分析加工黏度变化很大的材料（如热固性材料）时也会出现。当聚合物硬化，用户就会遇到CMT 流变仪的这种惯性限制。但据报道，使用SMT 技术的Ares流变仪可以精确测试任何黏度范围的材料。 CMT 设备能控制压力恒定，但不能保持应变恒定。一般来说，CMT设备只能通过迭代循环反馈回路，在振荡式流变仪中使用来控制应变，这时往往需要多次振荡循环才能获得所要的应变，从而延长了测试时间。SMT设备则不会出现这样的问题。现在CMT 设备改进后，用户可以和使用SMT 设备一样，在一次振荡内达到所需应变，所不同的是它仍需另外校准。举个例子，TA Instruments 公司的AR Mobius Drive 2000系统，它安装有不同的附件，包括用于研究热固性材料硬化行为的加热炉。这个系统可以直接控制振荡时的应变和压力，并在平台上进行应变速率恒定的压力松弛测试。 据称Malvern公司的Bohlin Gemini和C-Vor CMT 设备也能达到类似效果，它的Rotonetic驱动既能控制压力又能控制应变。Thermo Electron公司的RheoStress 600 应用已有两年，它的电动机重量极小，从而可以减少测试中惯性的影响。其法向力（转轴上）测试也很有特点。应用工程师Jenni Briggs 先生解释说，在许多流变应用中，压力常常是施加在垂直于熔体流动的方向上。使用RheoStress 600，法向力既可以被设定为一个固定参数，又可以被当作是一个可测的变量。剪切粘弹性试样会引起法向力的变化，它可以通过集成在空气轴承上的法向力传感器来测定。其MFC (压力微量修正) 装置进一步扩大了它的可测压力范围，最小可低至0.01 N。在FLC (控压装载)模式下，在试样上施加预设的法向力，用以增强实验可重复性。 另一种选择 Brookfield Engineering Laboratories最近推出了一种动态旋转式流变仪。该流变仪的“锥形轴”（锥板/平板）式设备中安装有机械轴承，可以连续旋转。虽然它们没有空气轴承那么灵敏，同时也不能进行振荡试验，但其价格十分低廉。它们被推荐用于质检和某些聚合物性能的测试。市场部主管Bob McGregor先生解释说，空气轴承设备可以提供更多有关材料屈服值和弹性模量的精确信息，这些数据对于分析研究十分重要。但对于基本的性能测试来说，显然这种仪器更为合适。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/26/2006)