材料知多少 (熔融指數(shù)儀的應(yīng)用).docx

單尼斯科（上海）儀器儀表有限公司塑料工程，2013年9月刊材料性能知多少3 （Materials Know How 3）作者：Michael Sepe已經(jīng)證明聚合物的平均分子量與其自身的零剪切黏度的有固定的關(guān)系幾年前我收到一封質(zhì)疑我論述的郵件,發(fā)件人要求我指出如何使得我的論述(對(duì)熔融流動(dòng)速率測(cè)試通?？梢蕴峁┮环N評(píng)估聚合物分子量的有效途徑)成立, 如何將流動(dòng)速率以克/10分鐘的單位表示來(lái)測(cè)量分子量(單位是克/摩爾), 其實(shí)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)驗(yàn)證了這個(gè)問題。已經(jīng)證明聚合物的平均分子量與其自身的零剪切黏度的有固定的關(guān)系,準(zhǔn)確地關(guān)系取決于聚合物自身,可以在有關(guān)文獻(xiàn)里找到它們之間關(guān)系的一般表達(dá)式：ho=kMw3。4這里ho代表零剪切黏度，Mw是聚合物的平均分子量，k是一個(gè)測(cè)試某特定聚合物時(shí)的恒定常數(shù)。指數(shù)3。4并不是通用的，在3。2-3。9之間變動(dòng)。在很低的剪切速率下，任何熔融特征都能通過(guò)小的分子量的變化反映到大的熔融黏度的變化上來(lái)。零剪切速率是一個(gè)數(shù)學(xué)家才會(huì)喜歡的概念，在實(shí)際操作中，你無(wú)法測(cè)得零剪切速率的黏度，因?yàn)轲ざ仁峭ㄟ^(guò)測(cè)量聚合物流動(dòng)過(guò)程中受到的阻力來(lái)得到的。所以為了聚合物測(cè)量流動(dòng)時(shí)的阻力，你必須讓聚合物流動(dòng)，然而一旦流動(dòng)，其剪切速率必然不是零。但是可以根據(jù)黏度與剪切速率的指數(shù)關(guān)系圖，在流動(dòng)速率趨于水平接近于零時(shí)并與Y軸相交的值來(lái)獲得-即零剪切黏度。歸納后的黏度與剪切速率關(guān)系圖1，圖中指出了推算后的零剪切黏度。圖1：你無(wú)法測(cè)得零剪切速率的黏度，因?yàn)轲ざ仁峭ㄟ^(guò)測(cè)量聚合物流動(dòng)過(guò)程中受到的阻力來(lái)得到的。所以為了測(cè)量流動(dòng)時(shí)的阻力，你必須讓聚合物流動(dòng)，然而一旦流動(dòng)剪切速率必然不是零。但是可以根據(jù)黏度與剪切速率的指數(shù)關(guān)系圖，在流動(dòng)速率區(qū)域水平接近于零時(shí)，與Y軸相交的值-即零剪切黏度。乙醛共聚物在220度下的黏度/剪切速率關(guān)系圖此圖顯示了乙醛共聚物的真實(shí)黏度/剪切速率關(guān)系圖，其MFR為9克/10分鐘，測(cè)試的剪切速率范圍從1。4至1400秒-1并部分顯示了圖1的特征這也就詮釋了通過(guò)測(cè)量MFR的值來(lái)測(cè)量聚合物的分子量的有效性。因?yàn)镸FR是在相對(duì)較低的剪切速率下進(jìn)行的，其結(jié)果接近于零剪切黏度（也是在低剪切速率下測(cè)量的）。盡管剪切速率不受控制。剪切速率在MFR測(cè)試中不受控實(shí)際上是測(cè)試夸大了了熔融黏度的實(shí)際的不同之處,黏度產(chǎn)生了分子量的功能。這一點(diǎn)可以通過(guò)再次觀察上次的兩種聚合聚合物黏度/剪切速率的曲線來(lái)證實(shí)。兩個(gè)材料的MFR值指示黏度值為4-MFR的材料是22-MFR材料的5。5倍。然而, 如果我們仔細(xì)比較這兩種材料在任意相同剪切速率下的黏度,就會(huì)發(fā)現(xiàn)事實(shí)并非如此。兩種材料黏度的最大不同是在最小的剪切應(yīng)力下測(cè)得的,即使在這一點(diǎn),兩種材料的黏度也未達(dá)到3。5:1(3460/1005=3。44)圖2 顯示了一個(gè)乙醛共聚物真實(shí)的黏度/剪切速率的關(guān)系曲線圖，其熔融流動(dòng)速率MFR為9克/10分鐘。測(cè)試的剪切速率的范圍從1。4至1400秒-1并顯示圖1中的部分流變特征。黏度值得大小在1。4-7秒-1之間，并沒有發(fā)生巨大的變化，該段時(shí)間內(nèi)，還沒有進(jìn)入曲線的非牛頓特征區(qū)域。圖2指出了測(cè)試材料的MFR時(shí)的剪切速率，大概20秒-1?？梢詮膱D中看出MFR的測(cè)試位于曲線的上方，接近于曲線上的零剪切點(diǎn)。由圖3注意到隨著剪切速率逐漸變大,兩種材料黏度的差異慢慢變小。在最大剪切速率處即10000秒-1處, 比率下降到18/13即1。38:1。 材料流動(dòng)的越快,它們的黏度越接近。原因是由聚合物鏈長(zhǎng)的方向性引起的,這種現(xiàn)象被稱之為剪切稀化。這種行為使得加工者可以讓熔融聚合物在相對(duì)受限制的流道里長(zhǎng)距離的移動(dòng)。 尤其是注塑成型方面應(yīng)用更廣。兩種MFR值顯示的差異比黏度測(cè)試顯示大的原因是兩種材料的剪切速率并不相同。 圖3箭頭所示兩種材料的MFR值獲得時(shí)的剪切速率。如之前提到的, 這些剪切速率是不受控制的,是由于兩種材料在置于恒定的加載下獲得的。但由于22-MFR材料的剪切速率比4-MFR材料的要大,黏度上的差別就被放大化了。這是MFR測(cè)試的一個(gè)不足之處。然而,這也顯示了由MW變化而引起的黏度的不同是應(yīng)該在最小流動(dòng)速率下才能最有效得獲得。隨著剪切速率越來(lái)越高,兩個(gè)大體上MFR不同的材料開始趨于相似。4-MFR和22-MFR PP材料的黏度/剪切速率曲線圖3箭頭所示兩種材料的MFR值獲得時(shí)的剪切速率。如之前提到的, 這些剪切速率是不受控制的,是由于兩種材料在置于恒定的加載下獲得的。但由于22-MFR材料的剪切速率比4-MFR材料的要大,黏度上的差別就被放大化了。這是MFR測(cè)試的一個(gè)不足之處。然而,這也顯示了由MW變化而引起的黏度的不同是應(yīng)該在最小流動(dòng)速率下才能最有效得獲得。在極限情況下，商用原材料的MFR值可能最小低至0。1克/10分鐘，或最高至500克/10分鐘。然而，對(duì)大多數(shù)的商業(yè)所發(fā)布的混合物來(lái)看，MFR值一般在1-50克/10分鐘。這就意味著測(cè)試MFR時(shí)相應(yīng)的剪切速率一般在2。2-110秒-1之間在測(cè)試MFR過(guò)程中，熔融黏度被夸大化給生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)了不良的影響，尤其是一些涉及到注塑工藝的過(guò)程。一些將MFR的值來(lái)代表材料流體真正不同的過(guò)程。當(dāng)仿行部件沒有按照預(yù)期的那樣被加工出來(lái)時(shí)，其中的一個(gè)改變結(jié)果的方法就是增加此聚合物的分子量。這就要求將材料轉(zhuǎn)變?yōu)镸FR更高的材料。這種方法通常以為無(wú)法控制而不予采納，因?yàn)槿绻訫FR值得不同判斷，會(huì)增加加工工藝難度。而黏度曲線顯示出真實(shí)黏度的不同并沒有MFR所顯示的那么大。但讓人們考慮MFR這個(gè)參數(shù)的意義是很難的，許多性能上的問題，并不時(shí)通過(guò)使用更高M(jìn)FR的材料來(lái)解決的，而是使用更復(fù)雜的方法比如：改變部件的設(shè)計(jì)或加工條件，只因?yàn)镸FR的值看起來(lái)比較嚇人 。下個(gè)月我們將探索為什么人們會(huì)把對(duì)MFR的觀測(cè)當(dāng)作加工過(guò)程的一個(gè)障礙，以及為什么加工過(guò)程中用MFR來(lái)顯示批次間的起伏的敏感度，會(huì)有一些基本的與注塑機(jī)相關(guān)或者與工藝設(shè)定有關(guān)一些的問題。 (未完待續(xù))關(guān)于作者：MICHAEL SEPEMichael Sepe是一名個(gè)獨(dú)立的材料和加工顧問，住在亞利桑那州，其客戶遍及北美，歐洲和亞洲。他擁有超過(guò)35年的塑料行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，幫助客戶進(jìn)行材料選擇，設(shè)計(jì)的可制造性，流程優(yōu)化，故障診斷和故障分析。關(guān)于譯者：Susan YangSusan Yang是Dynisco中國(guó)Polytest