压力式毛细管流变仪的研究.docx

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压力式毛细管流变仪的研究

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摘要

20世纪60年代以来，随着新型高分子材料不断涌现，高分子材料的应用越来越广泛，它涉及到化学、机械、轻工、国防、汽车、食品、医用、航天等许多个重要的工业门类。

新型高分子材料的研究和性能测试显得十分重要，而流变仪正是进行高分子材料性能测试的仪器。

常用的流变仪主要包括毛细管流变仪、转子型流变仪、混炼型转矩流变仪和振荡流变仪。

毛细管流变仪与多数加工成型过程中物料流动形式相仿，它不仅可以测量物料的粘度，还可以对挤出行为进行研究和讨论物料的弹性，因而其应用较为广泛。

目前毛细管流变仪主要用于研究部门和工厂实验室等，是进行科学研究和工厂应用研究的重要仪器，在国外毛细管流变仪有几家很出名的生产厂家，而国内仅有哈斯特公司生产的转矩式毛细管流变仪一种形式。

转矩式毛细管流变仪在测试材料性能过程中用料较多，不适合昂贵材料的测试，本文针对其这一特点进行了压力式毛细管流变仪研究。

压力式毛细管流变仪是在物料加热到粘流态时进行材料性能测试。

测试实验中，通过调节电机的转速而控制柱塞的移动速度，在柱塞高压的作用下使物料从毛细管中强迫挤出，得到所需的检测量，进而获得物料的流变性能。

本仪器由机械系统和控制系统两部分组成，其中机械系统用来完成动力源到执行机构的运动转换，使得柱塞在料筒内完成直线往复运动，保证物料在料筒内所要求的压强和从毛细管中流出的流量；而控制系统则用于控制和调整柱塞的移动速度和料筒电加热器的加热温度，及检测料筒内物料的压力和加热温度，进而实现在线自动检测控制，同时记录有关的数据参数，并实现显示、记录和存储等。

本文结合国内外应用现状，提出一种经济实用的压力式毛细管流变仪的设计方案，它具有测试材料用量少、操作简单、测量准确、测量范围广阔等特点。

该仪器不仅填补国内相关领域的空白，而且应使其达到国际同类产品的技术要求，具有广阔的应用前景。

关键词　毛细管；流变仪；UG；ANSYS

ResearchofthePressureCapillaryRheometer

Abstract

Sincethe1960’s,withappearanceofnewpolymermaterialscontinuously,polymermaterialsaremoreandmorewidelyusedinindustriessuchaschemistry,mechanical,lightindustry,nationaldefense,automobile,foodandmedical,spaceetc.Itisobviouslyimportanttoresearchandtestnewpolymermaterials,thecapillaryrheometerisjustainstrumentthatcantestpolymermaterial.

Thecommonusedrheometersarecapillaryrheometer、rotorrheometer、mixingtorquerheometerandoscillatorrheometeretc.Thecapillaryrheometerhasthesimilarflowformwiththatoftheprocessofmaterialmachine-shaping，andcanbeusednotonlytomeasurematerialviscositybutalsotoresearchtheextrudebehaviorandelasticityofpolymermaterials.Nowcapillaryrheometeriswideusedinresearchdepartmentandfactorylaboratory,andisanimportantinstrumentofscienceandfactoryapplicationresearch.Inforeigncountriesthereareseveralfamouscompanies,butinourcountrythereisonlytheHRBHUSTcompanythatproducesthetorquerheometer.Thetorquerheometerusessmorematerialintesting,soitisnotsuitableforexpensivematerials.Basedonthispoint,weworkontheresearchofpressurecapillaryrheometer.

Whenmaterialisheatedtocertaintemperature,thepressurecapillaryrheometerbeginsmeasuringmaterials.Inmeasuringexperiments,itcontrolsmotor’srotationalspeedinordertocontrolpistonspeed.Underthefunctionofhighpressure,materialwillbeextrudedfromthecapillarythentheparameterswillbegot,thereforematerialflow-shapeperformancewillbegot.Theinstrumentincludesmechanicalsystemandcontrolsystem.Amongthemthemechanicalsystemisusedtofinishmotionchangefrompowersourcetoactingmechanism,thenmakethepistoncompletestraightreciprocatingmotioninbarrelandguaranteethepressureinbarrelandflowfromcapillary.Thecontrolsystemisusedtocontrol,measurethepressureandtemperature,thentorealizeonlinemeasurementandadjustment.Atthesametime,itrecords,displaysandstoragesthecorrespondingdata.

Inthisthesis,accordingtopresentconditionsathomeandabroad,thepressurecapillaryrheometerisputforward.Ithascharacteristicsofsimpleoperation，accuratemeasurementandvastmeasuringscope.Theinstrumentcannotonlyfilluptheblankoflocalrelatedrealm,butalsoreachtherequirementofthesameinstrumentabroad,sotheapplicationareaisverywide.

Keywords　capillary；rheometer；UG；ANSYS

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第1章绪论

1.1课题背景

20世纪60年代，高分子科学和工艺的开始发展，现在在国民经济和人民日常生活的各个领域得到了日益广泛的应用[1]。

早在二十世纪九十年代初，塑料的年产量按体积计算已经超过钢铁和有色金属年产量的总和。

在化学、机械、轻工、国防、汽车、食品、医用、航天仪表、汽车和航天航空等领域，塑料已成为金属的良好代用材料，出现了金属材料塑料化的趋势。

据统计，我国2000年汽车产量200多万辆，车用塑料达138万吨。

从国内外汽车塑料应用的情况看，汽车塑料的用量现已成为衡量汽车生产技术水平的标志之一。

另据统计，在电缆绝缘方面也是一个最重要的应用，近年来电缆产品是我国机械工业中产值比重很大的产品，年产值可达到500亿元[2]。

高分子材料研究的一项中心任务是要对高分子材料的流动性有根本的了解和认识，流变仪正是测定高分子材料流变性能的仪器。

流变仪通过模拟实际工艺过程和生产坏境，测定分析被测高分子材料的流变性能。

通过流变仪测量得到的数据可直接用于高分子材料的生产加工。

聚合物特殊的化学、物理性能使其可能具有各种广泛的实际应用，在聚合物生产的大多数产品中的基本方式是采用单螺杆挤出。

在挤出过程中，工艺条件（包括温度、螺杆转速、和模具选择）对制品的产量和质量影响很大，特别是塑化过程，更能直接影响制品的物理机械性能和外观质量。

聚合物加工工程师们只有在充分了解材料的可加工性的条件下，才能确定聚合物加工的工艺条件、及设计合适的机头和模具。

聚合物的可加工性与其在熔融状态时的流变性能是紧密相关的。

有两个与聚合物加工有重要关系的基本的流变性能，它们是材料的粘性与弹性。

除其它因素外，这些流变性能还取决于聚合物的分子结构、分子量大小、和分子量分布，也决定于加工条件，如熔体温度、压力和流速等。

因此，较好的理解流变性能和分子特性之间以及流变形能和加工条件之间的相互关系，对材料的的可加工性做出评定标准是很重要的。

例如，它可以帮助人们确定产品尽量达到所希望的一些特定的力学性能的聚合物共混体的配方，也可以帮助人们选择合适的加工设备[3]。

为了在生产前确定合适的工艺条件以节省材料、提高效率，就须在生产前用实验的方法来测量聚合物的可加工性已确定合适的工艺条件，而且要求实验结构与实际生产相关联。

另外，在解决工程实际的运算中，例如，在计算挤出机产量，研究聚合物的性能和机头设计计算等需要用到聚合物的表观粘度，由于在理论上用公式计算不同情况的表观粘度比较困难，因此，一般采用实验的方法测试。

测试的实验设备主要是各种各样的流变仪，其中以毛细管流变仪应用最为普遍和广泛。

毛细管流变仪广泛由于研究部门、工厂和实验室，是进行科学研究和工厂应用的重要仪器，主要优点在于：

操作简单、测量准确、测量范围广阔，另外毛细管中物料的流动与某些加工成型过程中物料流动形式相仿，因而具有实用价值。

使用毛细管流变仪不仅能测量物料的剪切粘度，还可以对挤出行为的研究，讨论物料的弹性行为等[4]。

过去的流变仪无论在系统结构复杂度上，还是在数据处理能力方面都不能满足材料开发和加工的要求。

计算机的出现及一些计算机辅助设计软件的应用，为研制新型的毛细管流变仪提供了硬件和软件基础。

充分利用计算机强大的计算能力和数据文件处理能力，并结合当代新的仪器技术，不但能使整个系统结构简单、控制功能强大和易于维护，而且还能为实验数据提供强大的管理和处理能力，同时可以大大节省实验时间，缩短开发周期，提高效率。

1.2毛细管流变仪的国内外现状

流变仪是一种对材料的流变特性进行测定的仪器。

流变仪通过模拟实际的生产过程和生产工艺，测定分析测定材料的流变性能，通过流变仪测量出的数据可直接用于材料的生产加工[5]。

1．国内现状高聚物的发展对我国的经济建设是极其重要的，它涉及到化学，机械，轻工，国防，汽车等多个工业门类。

发展高聚物制品，首先，离不开对其特性的研究，尤其是对新型材料的研究和开发。

而研究高聚物，最常见的就是关注其流变性能，而流变仪就是进行此类研究时必不可少的工具。

在我国随着高聚物的发展，流变仪开始使用，但是基本上是引进国外设备。

目前国内，仅有哈尔滨理工大学研制的旋转式毛细管流变仪，但是它有个缺点，即用量大，对于一些昂贵的材料，不太适合，本课题正是基于此目的，并且在听取了客户使用后的意见和借鉴国外同类产品技术的基础上进行的压力式毛细管流变仪的研究。

对于我国来说，流变仪的研制开发很重要而且也是势之所趋。

不仅可以满足相应行业进行流变性能测试的需要，而且可以减轻经济负担[6][7]。

2．国外现状国外毛细管流变仪的发展要早于我国，早在1962年，德国GEOTTFERT公司就研制出来世界上第一台毛细管流变仪。

随着第一台毛细管流变仪的出现，许多国家也都进行了这方面的研制与开发。

由于理论和技术的巨大进步，一大批价格昂贵、构造复杂的流变仪问世并得到推广应用，同时开发出若干多功能、高精度、使用方便的流变仪计算软件与之配合，方便了人们的测量。

目前，英国的Bohlin、Instron及德国的GEOTTFERT公司、HAAKE公司、意大利的CEAST公司等已经研制和开发了不同规格的流变仪，而且在精度方面已经达到了很高的要求，其控制部分也采用了全PC机自动监测和控制，并利用Winrheo软件进行实时的图形绘制和分析[8][9][10]。

综上所述，针对我国企业的实际情况，引进国外先进技术，开发压力式毛细管流变仪是一项具有很大开发潜力的项目，能够产生可观的经济效益和社会效益作为测试流组件的一个重要仪器。

该仪器的主要性能和要求都不仅能达到国际先进水平，而且填补了国内相关领域的空白。

1.3毛细管流变仪的研究目的和意义

经调查，这类仪器在国际上不多见，而且价格昂贵，而国内尚无压力式毛细管流变仪，并且国外同类产品的单价一般在80万元以上，给一些研究机构和一些要进行聚合物流变性能测定的单位或部门，都造成一些经济负担。

而我们此次对于毛细管的研制正是以此为出发点，研制造价低，精度适当的经济实用型毛细管流变仪，该仪器的初步估算在20到30万之间，差不多是国外同类产品的四分之一左右，因而有十分广阔应用前景。

除此之外，参考其它一些比较先进毛细管流变仪的仪器，如国外GEAST公司、Instron公司的毛细管流变仪，本仪器结合了它们的一些优点，例如采用了美观的柜式结构；选用了精度高的传感器，及一些检测装置；而且还考虑了入口压力降对对分析流变性的影响；系统采用了计算机控制并自动采集数据（温度、压力），以实现精确控制；配套有一系列与监测和数据处理的相关软件等。

另外，我们还考虑了温度场的分析、结构设计的人性化等设计思想。

因此，这台机电一体化的仪器可以说不仅处于国际先进水平，而且弥补了国内相关领域的空白，达到国际领先的水平[11][12][13]。

通过设计的高压毛细管流变仪可以对表征高分子材料的物理参数进行科学测量，获取材料的真实的粘弹性变化规律及材料结构参数的内在联系，控制产品的质量，理解加工性能的适用范围，评价和应用新型材料,由此检验本构方程的优劣，指导本构方程理论的发展。

利用材料流动过程中粘弹性质的变化，进而可以指导高分子材料的加工工艺[14]。

1.4本文研究的主要内容

高压毛细管流变仪是哈尔滨理工大学哈斯特公司开发研制的新产品。

根据对转矩式流变仪的改进，并结合了一些新技术和客户的意见，进行了该系统的研制。

所作的工作主要有以下几方面：

1．通过广泛的查阅和调研，深入了解了目前毛细管流变仪的发展趋势，并结合当前成熟的毛细管流变仪的一些优点，提出了毛细管流变仪的总体设计方案。

2．对机械系统的主要零、部件进行必要的分析和计算，并进行了主要零、部件的选择。

3．为了缩短开发周期和节省实验时间，利用计算机辅助设计技术UG进行设计，并在此平台上进行了实体的建模、整机的装配仿真和运动仿真。

4．根据流变仪中料筒内温度场的特殊要求，采用有限元分析软件对其料筒内的温度场进行仿真和分析

5．根据流变仪的工作特点，及其在线检测和控制要求，设计构建整体的控制框架。

第2章流变机理与总体设计

2.1流变学的概念及流变机理

2.1.1流变学的概念

流变学是一门研究材料流动及变形规律的科学。

高分子材料流变学测试研究高分子熔体、高分子溶液，在流动状态下的非线性的粘弹行为，以及这种行为与材料结构及其它物理、化学性质的关系[15]。

很久以来，流动与变性是属于两个范畴的概念，流动是液体材料的属性，液体流动时，表现出粘性行为，产生永久变形，形变不可恢复并耗散掉部分能量。

通常液体流动是遵从牛顿流动定律，材料所受的剪切应力与剪切速率之比，且流动过程是一个时间过程，只有在一段有限时间内才能观察到材料的流动。

而变性是固体材料的属性，在固体变形时，表现出弹性行为，其产生的弹性行变在外力撤销时能够恢复，且产生形变时储存能量，材料具有弹性记忆效应，一般固体变形时遵从胡克定律——材料所受的应力与形变量成正比，其应力、应变之间的响应为瞬时响应[16]。

通常称遵从牛顿流动定律的液体称为牛顿流体，遵从胡克定律的固体称为胡克弹性体。

牛顿流体与胡克弹性体是两类性质被简化的抽象物体，实际材料往往表现出远为复杂的力学性质。

如沥青、粘土、橡胶、石油、蛋清、血浆、食品、化工原材料、泥石流、地壳，尤其是高分子材料和制品，他们既流动、有能变形：

既有粘性。

又有弹性；变形中会有粘性损耗，流动时又有弹性记忆效应，粘、弹性结合，流、变性并存。

对于这类材料，仅用牛顿流动定律或胡克定律已无法全面描述其复杂力学响应规律，必须发展一门新学科——流变学对其研究。

所谓的流变“实质就是”固—液两相性，是一种“粘弹性”表现。

但这种粘弹性不是在小变形下的线性粘弹性，而是材料在大变形、长时间应力作用下呈现的非线性粘弹性[17]。

2.1.2高分子粘流态特征及流变机理

高分子材料的加工多在粘流态下进行，所谓的粘流态是指高分子材料在温度处于流动温度（Tf）和分解温度（Td）之间的一种凝聚态。

从宏观上看，粘流态的主要特征是在外力场的作用下，高分子溶体产生不可逆的永久变形（流动）。

从微观上看，处于粘流态时大分子链能产生重心位移的整链运动。

考察无定型高分子材料在确定外力下的形变—温度曲线如图2-1。

可以看到随温度的升高，材料从坚硬的玻璃台，逐渐转变到可以发生大变形的高弹态和粘流态。

在高弹态下，大分子链段解冻，可以发生运动，然而这种运动并没有使分子整链的重心相对位移，因此形变可以恢复。

温度继续升高，到粘流态时，分子热运动强烈到足以使分子链间的缠解开始松弛，分子整链发生相对滑移。

曲线上高弹平台消失，材料发生不可逆形变和流动。

注意此时材料的形变除有不可逆的流动成分外，还保留部分可逆的弹性形变成分，因此其流动可成为“弹性流动”或“类橡胶液体流动”，这是高分子材料粘流态的重要特征之一。

图2-1无定形高分子材料的形变-温度曲线

Fig.2-1Shape-temperaturecurveofunfixedformpolymermaterial

绝大多数线形高分子材料具有粘流态。

对无定型聚合物而言，温度高于流动温度即进入粘流态。

对结晶型聚合物而言，分子量低时，温度高于熔点即进入粘流态；分子量高到一定程度时，熔融后可能存在高弹性，因此要在温度继续升高，高于流动温度后才进入粘流态（见图2-2）。

交联高分子材料合体型高分子材料不具有粘流态，如硫化橡胶及酚醛树脂，环氧树脂、聚酯等热固性树脂，分子链间有化学键联系，不破坏这些联系，分子链就无法相对移动。

某些刚性分子量聚合物，分子链间存在相互作用，其分解温度低于流动温度，因而不存在粘流态。

图2-2结晶高分子材料的熔融-流动曲线

Fig.2-2Melt-flowcurveofcrystallizepolymermaterial

研究表明，粘流态下大分子流动的基本结构单元不是大分子整链，而是链段，分子链段的引动实际上通过链段的相继运动实现的。

研究高分子材料粘流化学能时发现，当溶体分子量很低时，活化能随分子量的增大而增大。

分子量达到一定之后，活化能趋于恒定，不再增加，与该恒定值对应的最低分子量相当于由20~30个原子组成的链段的大小。

这说明溶体流动的基本结构单元是链段[18]。

2.2基本理论

毛细管流变仪的是测量的高分子材料流变性能的仪器，不仅可以测量物料的剪切粘度，还可以讨论物料的弹性行为。

由于有物料的粘弹性不能直接测量，只能通过一些可直接测量的参量通过以下的数学关系来求解[19]。

物料流经毛细管的剪切速率可表示为

（2-1）

其剪切应力为

（2-2）

高分子材料的表观粘度为

（2-3）

涨大比可描述为

（2-4）

式中

——为剪切应力（MPa）；

——为剪切速率（l/s）；

——毛细管的内孔半径（mm）；

——材料流经毛细管的压力差（MPa）；

——毛细管的长度（mm）；

——为挤出流量（mm3/s）；

——为测得的直径（mm）；

——口模直径（mm）

物料在毛细管中流动时，毛细管壁处的切变速率最大，而流速却为零。

图2-3的给出了物料在毛细管粘度计内的流动特征，图中的实线表示牛顿流体，虚线表示典型的聚合物非牛顿流体[9]。

图2-3毛细管流变仪的特征

Fig.2-3Characteristicofcapillaryrheometer

由图2-3可以看出，毛细管流变仪存在一个缺点，切变速率不是均一的，而是沿毛细管的径向发生变化。

因此为了得到聚合物流体正确的粘度数据，通常需要对毛细管法测得的枯度数据进行两项改正。

1．用Rabinowitsch方程对非牛顿流体的毛细管壁处的切变速率进行改正，改正后的式（2-1）变成

（2-5）

（2-6）

对于牛顿流体n=1.0。

对于非牛顿流体，如果它符合幂律，即切应力和Y的n次方成正比，则n为常数；否则是切变速率的函数。

2．Bagley改正它考虑了毛细管入口处粘性和弹性效应所产生的非理想情况的影响，这种影响所产生的效果相当于毛细管的有效长度要比它的实际长度长。

考虑到这项改正式（2-2）中的管壁切应力就变成为

（2-7）

Bagley改正因子e应该和毛细管的长度无关，但由于聚合物熔体有弹性，因而e通常随L/R有变化。

Bagley改正因子的测定方法如图2-4所示。

在恒定的切变速率下测定几种不同长度毛细管的压降∆P，然后把∆P—L／R曲线外推至压降为零，便可得到e值。

式（2-7）中的P0相当于治定切变通率下，当毛细管长度为零时的压降[20]。

图2-4毛细管流变仪的Bagley改正

Fig.2-4Bagleycorrectionofcapillaryrheometer

2.3总体设计

2.3.1毛细管流变仪的工作原理

毛细管流变仪的工作原理如图2-5所示，其核心部分有以下几部分组成，具有不同的长径比（通常L/D=10/1,20/1,30/1,40/1）的一套精致的毛细管口模，用于装载物料的料筒，料筒外的恒温加热器；料筒上部经动力驱动的柱塞等[21][22]。

其工作过程为：

当物料经电热线圈加热到一定温度变为熔体后，电动机驱动柱塞以一定的速度向下运动，在柱塞高压作用下，强迫物料从毛细管挤出，由此测量物料的粘弹性。

图2-5毛细管流变仪结构示意图

Fig.2-5Constructionsketchofcapillaryrheometer

2.3.2仪器的总体构成

毛细管流变仪的总体构成分为机械系统和控制系统两部分，其中机械系统用来完成动力源