转矩流变仪应用

　第 23 卷 第 7 期 　2004 年 7 月 实 验 室 研 究 与 探 索 R ESEA RCH AND EXPLORA T ION IN LABORA TOR Y V o l. 23 N o. 7　 Ju l. 2004　 哈克转矩流变仪在聚合物加工中的应用 杜启玫, 　周持兴 (上海交通大学 化学化工学院, 上海 200240) 中图分类号: TB 332 文献标识码: B 文章编号: 100627167 (2004) 0720046202 Re se a rch on the Po lym e r Re a c tive P roce s s ing B a se d on Ha a ke M ixe r DU Q i2m ei, 　ZH OU Ch i2x ing (Schoo l of Chem istry and Chem ica l T echno logy, Shanghai J iao tong U n iv. , Shanghai 200240, Ch ina) 收稿日期: 2003208207 第一作者简介: 杜启玫 (19492) , 女, 上海人, 实验师, 从事哈克转矩 流变仪测试管理工作。T el: 0212547432632801 1　引　言 　　哈克转矩流变仪[123 ]、积木式流变测量仪, 通过 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 物 料在混合过程中对转子或螺杆产生的反扭矩以及温度随时间 的变化, 可研究物料在加工过程中的分散性能、流动行为及结 构变化 (交联、热稳定性等) , 同时也可作为生产质量控制的有 效手段。由于转矩流变仪与实际生产设备 (密炼机、挤出机等) 结构类似, 且物料用量少, 所以可在实验室中模拟混炼、挤出等 过程, 特别适于生产配方和工艺条件的优选。对聚合物的加工 有很重要的意义。 2　哈克转矩流变仪的基本结构 哈克转矩流变仪的基本结构可分为三部分: 微机控制系 统, 用于实验参数的设置及实验结果的显示; 机电驱动系统, 用 于控制实验温度转子速度、压力, 并可记录温度、压力和转矩随 时间的变化; 可更换的实验部件, 一般根据需要配备密闭式混 合器或螺杆挤出器。 密闭式混合器相当于一个小型的密炼机, 由一个“∞”字型 的可拆卸混合室和一对以不同转速、相向旋转的转子组成。在 混合室内, 转子相向旋转, 对物料施加剪切, 使物料在混合室内 被强制混合; 两个转子的速度不同, 在其间隙中发生分散性混 合。通常有四种不同类型的转子: 轧辊转子、凸轮转子、班布里 转子和西哥玛转子。 螺杆挤出器相当于一个小型的挤出机, 可配备不同的螺杆 和口模, 以适应不同类型材料的测试研究。 通过测量扭矩、温度及观察物料外观, 可直观地了解转速、 温度、时间等对物料性能的影响, 优化物料的加工工艺条件。 3　哈克转矩流变仪的应用 随着人们对转矩流变仪应用研究的深入和功能的拓展, 它 已成为聚合物加工及实验流变学中必不可少的重要工具, 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。 3. 1　聚合物流变性能的研究 为将转矩流变仪的输入 (转速)、输出 (转矩、温度) 与物料 的流变性能联系起来, 流变学家们建立了一系列的数学关系 式, 从中可以计算出平衡扭矩及转矩流变仪中的流场分布等聚 合物的流变性能。 3. 2　原材料的检验 (1) 同种聚合物具有不同结构的比较。同种聚合物由于分 子链结构不同如线性、带长支链和短支链的聚合物、嵌段结构 和无规共聚结构、多组分共聚物不同含量等引起流变性能的改 变, 这反应在哈克扭矩流变仪上则表现为扭矩的变化, 根据扭 矩的差异可以判断聚合物的结构差异。例如: 利用哈克转矩流 变仪可以比较三种不同结构聚乙烯 (高密度聚乙烯、线性低密 度聚乙烯、低密度聚乙烯) , 还可以区分天然橡胶的不同产地等 等。 (2) 不同类型稳定剂的研究。利用转矩流变仪可研究不同 用量、不同类型稳定剂对聚合物加工性能的影响, 从而为选择 稳定剂种类、确定最佳用量提供依据。 3. 3　加工过程分析 (1) 典型转矩曲线。图 1 是热塑性塑料在密闭式混合器中 的三种典型转矩曲线, 图中各点的含义列于表 1 中。 (2) 聚合物接枝反应研究。转矩曲线可以研究聚合物的接 枝反应, 通过扭矩随时间的变化可以看出接枝反应发生与否、 反应在何时开始、何时结束、反应物的用量、反应的合适温度等 因素, 从而可以确定反应的适宜加工条件和较好的配方, 为进 一步的产业化打下基础。 (3) 聚合物交联过程的研究。转矩曲线可用来研究聚合物 的交联反应如橡胶的硫化、热固性塑料的固化及热塑性塑料的 交联等, 以及交联剂类型与用量等因素对交联反应的影响。 聚合物发生交联反应时, 其分子链由线性结构转变为三维 网状结构, 体系的粘度上升, 转矩随之增大, 因此可采用转矩曲 线出现上升作为交联反应开始的标志。此外, 转矩上升的速率 可以反应交联速率的快慢。 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 表 1　典型转矩曲线中各特征点的说明 符号 名称 　　　　　　　　　　　　　说明 L 加料峰 对应最大扭矩值, 表明物料完全进入密炼室, 此点可作为进一步计算的基准时间点 M 最低扭矩 代表最低融体粘度 V 转矩谷低 代表 PV C 干混料开始熔融 F 塑化峰 代表 PV C 完全熔融, 超过此点后, 由于摩擦生热转矩开始下降 S 稳定扭矩 转矩达到稳定值 O 降解ö交联起点 表明材料开始降解和交联, 此点对生产加工有指导意义 D 降解ö交联终点 表明材料已经降解或交联, 扭矩值可用于计算降解或交联速率 图 1　热塑性塑料的典型转矩曲线 　　 (4) 聚合物反应共混的研究。转矩曲线可以研究聚合物的 反应共混, 通过扭矩随时间的变化曲线看出两种聚合物是否发 生化学反应、反应在何时开始、何时结束、聚合物的投料比、反 应的合适温度等因素, 从而可以确定两种聚合物反应共混的适 宜加工条件和较好的配比, 为得到高性能的复合材料打下基 础。 (5) 橡胶塑炼过程的模拟。橡胶的分子量较高, 在加工之 前通常需要进行塑炼, 以降低胶料的门尼粘度。利用转矩流变 仪可模拟橡胶的塑炼过程并对其影响因素进行研究。 (6) PV C 凝胶化过程的分析。PV C 的凝胶化是指在流场 力与热的作用下, 树脂被逐步熔融塑化, 而后再结晶, 形成三维 空间网络结构的过程。在 PV C 凝胶化过程中, 包含着各层次粒 子的破碎、粒子边界的消失、晶体融化、再结晶成为大分子空间 网络、缠结等一系列复杂的物理化学变化。通过转矩流变曲线 可以分析粉碎的过程, 并建立粉碎机理模型。 3. 4　生产工艺优化与产品质量控制 (1) 加工时间的确定。通过转矩流变曲线可以知道聚合物 完全熔融的时间和聚合物分解的时间, 从而可以确定聚合物的 合适加工时间。 (2) 加工温度的选择。通过不同加工温度时转矩流变曲线 的分析, 可以选择聚合物合理的加工温度。 (3) 加工转速的选择。改变转子的转速, 即改变了剪切作 用力, 导致对聚合物性能的影响。通过研究转速对聚合物流变 曲线的影响, 可以选出较为适合的加工转速。 (4) 加料顺序对混炼过程能量消耗的影响。利用转矩流变 仪可研究不同加料顺序对混炼过程能量消耗的影响, 为降低能 耗、优化加工工艺提供依据。 (5) 混炼胶的质量控制。在橡胶加工过程中, 混炼胶的质 量控制是非常重要的环节。由于混炼过程中胶料的流动行为极 为复杂, 影响混炼质量的因素众多, 为保证不同批次物料的混 炼程序相同, 通常采用比机械能或混炼过程消耗的总能量来控 制混炼效果。因此, 采用转矩流变仪可以非常容易获得所需的 数据。 4　结　语 哈克转矩流变仪在聚合物加工中有着非常重要的作用, 是 聚合物加工和实验流变学中不可或缺的重要工具, 可广泛用于 的流变性能研究、原材料、生产工艺、产品开发、配方优化与产 品控制等领域。在实验室建设中, 更好地开拓和发展其应用是 很有意义的。 参考文献: [1 ]　周持兴, 聚合物流变实验与应用 [M ]. 上海: 上海交通大学出版 社, 2003. [ 2 ]　吴其晔, 巫静安. 高分子材料流变学导论[M ]. 北京: 化学工业出 版社, 1994. [3 ]　戚嵘嵘, 钱钧岭, 周持兴, ABS 树脂熔融接枝马来酸酐的研究, 工 程塑料应用, 2003, 31 (1) : 13 [ 4 ]　戚嵘嵘, 金星, 周持兴, 高阻隔性可吹塑尼龙 6 复合材料的研究, 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 塑料应用, 2004, 32 (1) : 4 74　第 7 期 杜启玫, 等: 哈克转矩流变仪在聚合物加工中的应用 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.