零口模结果
Cogswell 方法
双料桶，长口模和零口模 可以直接测量拉伸粘度. 不需要外推.
压力
•
毛细管口模. (L/D = 16)
可以进行Bagley校正. (should not be confused with Historical Bagley correction)
•
10
零口模. (L/D ~ 0) 20 L/D ratio
管壁处流速为0 管壁处剪切速率最大-这也是我们在所有测试中提到的 剪切速率
速度只是径向分布 样品不可压缩
毛细管流变仪原理
控制活塞速度(相当于控制剪 切速率) 压力与剪切应力相关(测量压 力计算剪切应力).
Shear Stress Viscosity = Shear Rate
毛细管流变仪原理
料桶
PL
6 70
活塞速度
Pressure (MPa)
5
60
v
50 4 40 3 30 2 20
Shear Rate (/s) / Extruded Volume (cm 3)
Pressure Drop Shear Rate Extruded Volume
t
1
10
0 0 1000 2000 3000 4000 5000
τ True η= γ&True
牛顿流体
聚合物 流体
流动曲线测量
控制：活塞速率 测量：压力降
τ app η= γ&app
表观剪切粘度，没有进行校正
典型流动曲线结果
原始压力数据
表观剪切粘度
Bagley Correction
Bagley 校正 入口压力降校正
双料桶设计最大优点
毛细管口模入口压力降
Rabinowitsch 校正
对于非牛顿流体
γ&app
4Q = 3 πr
表观剪切速率 (牛顿流体) 校正剪切速率 (聚合物熔体) . If n = 0.5, = 1.25 * γa
polyethylene polypropylene PVC polyamide 0.3 0.3 0.2 0.6 to 0.6 to 0.4 to 0.5 to 0.9
Rosand毛细管流变仪培训之二
毛细管流变仪结构、工作原理及相关校正
杨凯
流变仪技术支持
主要内容
毛细管流变仪产品系列 毛细管流变仪结构及其测试原理
熔融指数 毛细结构及其测试原理 Bagley校正及其双料桶设计 Rabinowtish 校正 Hagebach校正 毛细管流变仪应用
Rosand 毛细管流变仪介绍
50s-1 10s-1
1,000s-1
100
剪切应力通过幂律关系拟合
Pressure (Mpa)
10
最后一个应力值偏离，是实验拟 合误差还是材料本身性质？
PL
1 0 50 100 150 200 250 300
Po
Ps
0.1 Tim e
Pl
毛细管流变应用三：材料热稳定性
Thermischer Abbau at 260癈
单位: g/10min. 只能定性的判断某个温度下的流动性
毛细管流变仪更精确，测试方法更多
1.E+08
Relaxation Mixing
V isco sity (P a .s)
1.E+06
Injection moulding
1.E+04 1.E+02 1.E+00 1.E-05
Free surface
MFI test
Extrusion Coating
1.E-03
1.E-01 1.E+01 Shear rate (s-1)
1.E+03
1.E+05
Rosand 毛细管流变仪示意图
主要部件是料桶…… 包括
样品 压力传感器 温度传感器 活塞 口模
基本假设条件
完全发展流动-稳态条件 恒温，层流 材料粘附在管壁，没有滑移
R R
4Q 毛细管流变仪表观剪切计算公式： γ = & 3 πr
牛顿流体
毛细管流变仪原理
非牛顿流体
γ&app = τ app
4⋅Q πR 3 R ⋅ ∆P = 2⋅ L
校 正
η = Kγ& n−1
d (logτ ) n= & d (logγ )
Bagley校正 Rabinowitisch 校正 壁面滑移校正
4Q ⎛ 3n + 1 ⎞ γ&c = 3 ⋅ ⎜ ⎟ πr ⎝ 4n ⎠
d (log τ) n= . d (log γ)
可选但对比数据是必须保持一致！！
非牛顿指数n计算
n 是非牛顿指数， 通常是粘度 η 对剪切速率的斜率 γ
.
Fitted n = 1.0 - linear Fitted n = 0.25 – linear
技术支持 – 丰富的多媒体学习资料
材料表征领域创新解决方案
You are all welcome!
参考资料
Polymer Melt Rheology: A Guide To Inductrial Practice; F.N. Cogswell. Woodhead Publishing Limited. ISBN 1 85573 198 3 An Introduction to Rheology; H A Barnes, J F Hutton, K Walters. Elsevier. ISBN: 0-444-87469-0 A Handbook of Elementary Eheology; H A Barnes. Institute of Non Newtonian Fluid Mechanics. ISBN: 0-9538032-0-1
拉伸粘度
1,0E+04
1,0E+03
剪切粘度
1,0E+02
Low Extension 2.0mm Standard Extension 1mm Standard Extension Melt Rupture High Extension 0.5mm
1,0E+01 1,0E-04
1,0E-02
1,0E+00
10
Relaxation Time λ = 26.75 sec ( Mono-exp. Decay)
ilibrium Time
t
0 0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Real Time (sec)
⇒ 残余应力可导致表明裂纹 (automotive industry)
3. 两种材料，不做校正.
同时做两种材料实验.
4. 扩展剪切速率实验，不做校正
使用两种不同尺寸的口模，扩展剪切 速率范围
Rabinowitsch Correction
Rabinowitsch 校正
牛顿流体在圆形管道中的速度 分布是抛物线状 然而，大多数流体是非牛顿流 体，如聚合物熔体，剪切变稀 然而，对于非牛顿流体，在圆 形管道中的速度分布不是抛物 线形状，而是柱塞状的 所以，需要对剪切速率进行校 正
0 6000
real time (sec)
⇒ 最长加工时间
毛细管流变应用四：应力松弛
材料加工之后
Relaxation 190°C LDPE
25
12000
活塞速度:
Pressure Drop (MPa)
20
10000
v
8000
15
6000
Online Pressure Drop Shear Rate
延长压力曲线到长径比为零时，从而得到入口压力降
传统Bagley校正
测量一系列不同长度口模的压力降 线性外推：口模的长径比 (L/D)为 0
Pressure
另一种方法：零口模，直 接测量长径比为0时的压 力降 这种方法避免了外推法
High shear rate ° ° ° ° • 10 • 20 • • Low shear rate
双料桶毛细管流变仪的发明者
熔融指数MFI – Melt Flow Indexers
简单的说，毛细管流变仪 就是高级熔融指数测定仪
2.16kg
毛细管流变仪 可以得到更多 的材料信息
MFI die (2.095mm diameter)
熔融指数的缺点
加载固定的载荷（恒定应力）挤出物料.
工业上更多的是控制速率 剪切速率不固定（依赖于物料），且通常比较低（低于常用 加工剪切速率） 每次只能施加一个应力
Hagenbach 校正
是对低粘度样品进入口模时有加速效应所产生的 压力降进行校正 通常对于高聚物熔体，与入口压力 损失相比可以忽略不计. 需要样品的密度进行校正
毛细管流变应用一：剪切粘度和拉伸粘度
LDPE at190°C
1,0E+05 Shear Viscosity / Extensional Viscosity (Pas) Low Shear Test Zero Shear Viscosity Low Shear 2.0mm Standard Shear 1mm Standard Shear Melt Fracture High Shear 0.5mm
30
40
L/D ratio
外推法问题
测量一系列不同长度口模的压力降
Pressure Pressure
• • • • • • •
• • • • • • •
• L/D 很小时，压力降不在呈 • 线性 直接测量零口模的压力降