CTR-100型转矩流变仪

聚合物流变性能的应用研究

随着人们对转矩流变仪应用研究的深入和功能的拓展，它己成为聚合物共混及实验流变学中*的重要工具，可广泛用于原材料、生产工艺的研究、开发与产品质量控制等领域。

• CTR-100型转矩流变仪聚合物流变性能的研究

为将转矩流变仪的输入( 转速、温度 )、输出参数( 转矩、料度 )与物料的流变性能联系起来，Goo-drich和Porter首先建立了转矩与转子转速之间的线性关系，Blyler和Daane则进一步考虑了温度对转矩的影响，提出了如下关系式:M=C(n)mNn 。但是与C(n)有关的几个数无法直接得到。Lee和Purdon，Marquez等分别推导出了不同的C(n)进行拟合，提出了一种计等α的简化方法。引入了无量纲参数C'(n)来消除密炼室以及转子几何尺寸的影响，并采用指数模型拟合得到了α和C'(n)之间的关系式，从而可以准确预测α大于0.9时C'(n)及 C(n)的变化趋势。与以上研究者不同，Bousmina等则认为α是与聚合物材料特性及流变性能天关的常数，对高聚物熔体的流变性能及其在转矩流变仪中的流变行打并不敏感。认为，当等效同轴圆筒的间隙非常小[(R2－R1)/ R2<<1]时，r = (R1＋R2)/2处的剪切速率仅与转速有关，而与熔体的类型无关，因此可采用牛顿流体来进行计算剪切速率和粘度。

但是，所有这些研究都忽略了一个明显的事实：对于密闭混合器而言，物料通常并不是*充满混合器的内腔，而是以一定的比率进行填充。在Haake转矩流变仪的用户手册中，建议物料的填充体积与混合室内腔的体积之比为65%～90%。此时，处于熔融状态的物料是否能充满整个混合器呢？如果不能，那么对转矩流变仪中的聚合物熔体进行流变学分析是否需要修正呢？持此采用统计实验设计方法合理安排实验计划，并对以前的工作进行了进一步发展，提出了采用转矩流变仪研究聚合物流变性能的新模型。

图一，是采用数码相机拍摄得到的HDPE熔体在Haake密闭式混合窒中的正视图。实验条件是：表观填充系数f(即物料的填充体积与混合室空腔的体积之比)=70%，温度T =170℃，共混时间t =8 min 。显然，填充系数指70%时聚合物熔体未能*充满整个混合室。

图一

CTR-100型转矩流变仪平衡转矩的计算

  图二，在实验中典型的转矩和温度随时间变化的曲线。从图中可以看出，在实验的初始阶段，转矩曲线上出了一个尖锐的加料转矩峰，温度曲线则在相应位置出现了大幅度的下降。其原因是固体聚合物粒子加入到混合器中后，在热的作用下粒子表面首先熔融，粘连在一起的粒子对自己旋转的转子产生了很大的阻碍，从而导致转矩急剧上升；而聚合物粒子的熔融又需要大量的热量，因此混合室的温度急剧下降；当粒子的内核开始熔融时，转矩开始下降。在实验的第二阶段，即在3 min时，转速申最初的10r/min程序控制升至40r/min，相应的转矩有一个较大的跃升，然后再次缓慢下降。由于起冷却作用的压缩空气不能及时地将因剪切而产生的热量带走，因此导致物料温度随时间延长而升高。值得指示的是，无论是转矩缓慢下降、还是湿度的缓慢升高，两者都是以指数衰减的方式趋于各自平衡值。

图二：Haake转矩流变仪得到的典型转矩、温度曲线

因此，可以采用指数衰减模型来描述转矩和温度随时间的变化：

M =MB+Aexp(－t－t0／λM)          2-1

T = TB－Bexp(－t－t0／λT)          2-2

式中：MB是平衡转矩； TB是平衡温度； t0是转由10r/c升至设定转速的时间，即实验中第二阶段开始的时间 (３min ) 。A、B、λM、λT均为待定系数。可以看出，λM、λT反映了转矩、温度随时间变化的快慢，即与聚合物材料的松弛特性有关。当(t－t0)／λM或(t－t0) ／λT趋于无穷大时，上述两式的右边第二项均趋于零，转矩和温度也趋于其平衡值MB和TB；

lim     M=MB                                         2-3

(t－t0) λM →∞

lim     T = TB                                         2-4

(t－t0) λT →∞

基于上述两式，可以对实验中第二阶段的转矩和温度曲线进行拟合，从而得到聚合物熔体在转矩流变仪中混合的MB和TB。

将整个试验过程分为两个阶段的优点在于：①加料叶采用低转速可避免加料转矩峰值过大，从而保护仪器设备；②在低转速下对聚合物熔体进行３min的预混合，可消除因加料速度不同等未知因素对测试结果的影响，从而保证所有试验在第二阶段都是从相同的起始状态开始的。