熔體流動(dòng)速率的測(cè)試方法

1、.熔體流動(dòng)速率的測(cè)試方法一 基本概念1什么是熔體流動(dòng)速率？圖1是熔體流動(dòng)速率試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。料筒外面包裹的是加熱器，在料筒的底部有一只口模，口模中心是熔體擠壓流出的毛細(xì)管。料筒內(nèi)插入一支活塞桿，在桿的頂部壓著砝碼。試驗(yàn)時(shí)，先將料筒加熱，達(dá)到預(yù)期的試驗(yàn)溫度后，將活塞桿拔出，在料筒中心孔中灌入試樣（塑料粒子或粉末），用工具壓實(shí)后，再將活塞桿放入，待試樣熔融，在活塞桿頂部壓上砝碼，熔融的試樣料通過(guò)口模毛細(xì)管被擠出。塑料熔體流動(dòng)速率（MFR），以前又稱為熔體流動(dòng)指數(shù)（MFI）和熔融指數(shù)（MI）。圖11 1定義熔體流動(dòng)速率是指熱塑性材料在一定的溫度和壓力下，熔體每10min通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)口模的質(zhì)量，單位為g

2、/10min.12 影響試驗(yàn)結(jié)果的因素a 負(fù)荷：加大負(fù)荷將使流動(dòng)速率增加；b 溫度：在試樣允許的前提下，升高溫度將使流動(dòng)速率增加，如果料筒內(nèi)的溫度分布不均勻，將給流動(dòng)速率的測(cè)試帶來(lái)很明顯的不確定因素；c關(guān)鍵零件（口模內(nèi)孔、料筒、活塞桿）的機(jī)械制造尺寸精度誤差使測(cè)試數(shù)據(jù)大大偏離。粗糙度達(dá)不到要求，也將使測(cè)試數(shù)據(jù)偏小。2 意義熔體流動(dòng)速率表征了熱塑性聚合物的熔體的流動(dòng)性能，通過(guò)對(duì)它的測(cè)量可以了解聚合物的分子量及其分布、交聯(lián)程度，以及加工性能等等。二 熔體流動(dòng)速率試驗(yàn)的技術(shù)要求由于溫度、負(fù)荷、機(jī)械零件的任何一項(xiàng)偏差，都會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的不正確，因此，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的正確性，必須對(duì)這些參數(shù)很具體地確定

3、下來(lái)。1 溫度由于在本試驗(yàn)中，唯有溫度是動(dòng)態(tài)參數(shù)，對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果影響也很大，因此對(duì)溫度的技術(shù)參數(shù)規(guī)定得很細(xì)致。有的廠家生產(chǎn)的各種儀器（還有如恒溫槽，維卡軟化點(diǎn)，等等）凡有溫度指標(biāo)的，均標(biāo)上“溫控精度”這一項(xiàng)，其實(shí)是對(duì)用戶提供了一個(gè)貌似高精度而實(shí)則是沒有實(shí)際意義的指標(biāo)。11 溫度數(shù)顯準(zhǔn)確度。準(zhǔn)確度，這里指數(shù)顯值與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)之間的差值。一般來(lái)說(shuō)，只要溫控系統(tǒng)具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性和微小的波動(dòng)，準(zhǔn)確度都是可以通過(guò)校正來(lái)消除誤差的。通常（按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，下同）要求在0.5內(nèi)。12 溫度波動(dòng)溫度波動(dòng)，指料筒內(nèi)不論加料與否、溫度穩(wěn)定后的溫度波動(dòng)情況，這表征了設(shè)備的溫度控制能力。13 溫度長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性指料筒內(nèi)不論加料與

4、否，在經(jīng)過(guò)一段長(zhǎng)時(shí)間，如4h后，溫度變化的數(shù)值，它表征了溫度控制系統(tǒng)抗環(huán)境溫度變化、抗電源電壓變化的能力，以及自身電子系統(tǒng)的漂移。通常要求不超過(guò)1。14 溫度分布特指料筒內(nèi)口模上端起50mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)的溫度梯度，反映了料筒內(nèi)溫度的均勻性。通常要求在溫度高端不超過(guò)1.5，低端不超過(guò)1。2 負(fù)荷根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，要求負(fù)荷的誤差在0.5以內(nèi)。3 機(jī)械制造精度a. 口模?？谀５拿?xì)管內(nèi)孔要求相當(dāng)嚴(yán)格，有二種規(guī)格：內(nèi)徑 d1=2.095mm0.005mm,粗糙度0.25內(nèi)徑 d2=1.180mm0.010mm,粗糙度0.25b. 料筒。料筒內(nèi)孔要求達(dá)到d=9.55mm0.025mm，粗糙度0.25級(jí)，維氏硬

5、度600；c.活塞桿。測(cè)量頭部要求與料筒內(nèi)孔有合適的間隙配合，粗糙度0.25級(jí)，維氏硬度500。這里要提及的是，在活塞桿上有多根刻線，在料筒內(nèi)加料后，活塞桿插入料筒，這時(shí)刻線都暴露在上面，料筒內(nèi)近底部的熔體由于存在氣泡等原因是不采用的，要等到活塞桿下移后達(dá)到第一根刻線，才進(jìn)入有效范圍，至最上面刻線為止，多余部分也屬無(wú)效。至于多根刻線，是根據(jù)不同國(guó)家制定的要求而作的標(biāo)志。三 試驗(yàn)參數(shù)的選擇看似繁多的技術(shù)參數(shù)，其實(shí)是儀器制造廠家的任務(wù)。供實(shí)驗(yàn)人員在操作時(shí)選用的，只有下列三項(xiàng)：溫度，負(fù)荷，口模。在新標(biāo)準(zhǔn)中，1.180mm的口模已不再出現(xiàn)。而即使在以前的老標(biāo)準(zhǔn)中，1.180mm的口模也極少用到。 如何

6、選擇試驗(yàn)參數(shù)，在相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3682、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO1133，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（試驗(yàn)方法）ASTM D1238都已明確規(guī)定：標(biāo)準(zhǔn)GB36822000中的附錄B：附 錄 B熱塑性材料的試驗(yàn)條件表B1列出的是已規(guī)定在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)條件，如有必要，對(duì)某些特殊材料可以使用未被列出的其他試驗(yàn)條件。 表 B1材 料條件（字母代號(hào)）試驗(yàn)溫度，標(biāo)稱負(fù)荷（組合）m nom,kgPSH2005.00PED1902.16PEE1900.325PEG19021.60PET1905.00PPM2302.16ABSU22010.00PS-1H2005.00E/VACB1502.16E/VACD1902.16E/VACZ1

7、250.325SANU22010.00ASA、ACS、AESU22010.00PCW3001.20PMMAN2303.80PBD1902.16PBF19010.00POMD1902.16MABSU22010.00標(biāo)準(zhǔn)GB38622000中的附錄A：附 錄 A（標(biāo)準(zhǔn)的附錄）測(cè)定熔體流動(dòng)速率的試驗(yàn)條件所有試驗(yàn)條件應(yīng)由相應(yīng)材料命名或規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，表A1列出了已證明是適用的試驗(yàn)條件。表A1條件（字母代號(hào)）試驗(yàn)溫度，標(biāo)稱負(fù)荷（組合）m nom,kgA2502.16B1502.16D1902.16E1900.325F19010.00G19021.6H2005.00M2302.16N2303.80S2802

8、.16T1905.00U22010.00W3001.20Z1250.325注：如果將來(lái)需要使用本表中未列出的試驗(yàn)條件，例如，對(duì)新的熱塑性材料，則只可選擇本表中已使用的負(fù)荷和溫度。 很明確，我們可以根據(jù)不同的材料，選用不同的試驗(yàn)條件，當(dāng)同一種材料有多種試驗(yàn)條件時(shí)，根據(jù)約定俗成的原則，或雙方商議（供、需雙方等等）來(lái)確定。如PE，一般在沒有特別說(shuō)明的情況下，總是采用2.16kg的負(fù)荷、190的試驗(yàn)溫度，盡管它有多達(dá)四種的試驗(yàn)條件。要注意的是，標(biāo)準(zhǔn)附表中明確說(shuō)明了，對(duì)沒包括在附錄中的新的熱塑性材料，也“只可選擇本表中已使用的負(fù)荷和溫度”。四 試驗(yàn)步驟1確定了試驗(yàn)條件，就可以具體地進(jìn)行試驗(yàn)了。a. 設(shè)置

9、溫度，待穩(wěn)定；b. 需要清潔料筒活塞桿，清潔后，將活塞桿插入，還需等待溫度穩(wěn)定；c. 將活塞桿拔出；d. 加料，壓實(shí)（應(yīng)在1min內(nèi)完成），重新插入活塞桿；e. 待46分鐘（有規(guī)定的按規(guī)定，一般4分鐘后，溫度已開始進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)）；f. 加砝碼；g. 如料太多，或下移至起始刻度線太慢，可用手加壓或增加砝碼加壓，使快速達(dá)到活塞桿上的測(cè)試起始刻線；h. 計(jì)時(shí)，切樣，可切數(shù)段；i. 稱重；j. 計(jì)算，取平均值；k. 用紗布、專用工具（清洗桿）清洗料筒、活塞桿，如料的粘性太重，不易清洗，可在表面涂一些潤(rùn)滑物，如石臘等。清洗一定要趁熱進(jìn)行。料筒、活塞桿在每次試驗(yàn)后都必須進(jìn)行清洗。l. 口模清洗，用專用工具

10、（口模清洗桿）將內(nèi)孔中熔融物擠出。在做相同材料的試驗(yàn)時(shí)，口模不必每次清洗，但在調(diào)換試驗(yàn)品種、關(guān)閉加熱器前或已經(jīng)多次試驗(yàn)，則必須清洗。遇有不易清洗的情況，同樣可涂一些石臘等潤(rùn)滑物。2計(jì)算通過(guò)上述操作過(guò)程，我們對(duì)每一段樣條，取得了二個(gè)數(shù)值： 樣條的質(zhì)量m，g 該樣條流出的時(shí)間t，s因?yàn)槲覀兊亩x是：每10min（即600s）流出口模毛細(xì)管的熔體的質(zhì)量，而在上述的流出時(shí)間t，不一定是600s，甚至可能差很多，因此，要折合到600s計(jì)算，這樣：MFR600.m/t式中，m、t的意義同上，MFR即為熔體（質(zhì)量）流動(dòng)速率，單位為g/10min。五 自動(dòng)測(cè)試方法綜上所述，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)試人員需要將熔體

11、通過(guò)口模內(nèi)孔流下的部分按時(shí)間間隔切割下來(lái)，這里附帶有許多人工操作的誤差因素，同時(shí)，如果流動(dòng)速率很大的話，試驗(yàn)人員根本來(lái)不及切割操作，而如果是很小的速率，流下一段需要花費(fèi)半小時(shí)甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度是很大的（思想緊張）。因此，自動(dòng)的試驗(yàn)方法很有必要。自動(dòng)測(cè)試有二種方法：一種是：預(yù)先設(shè)定熔體流出的體積，然后對(duì)該體積的熔體的流出時(shí)間自動(dòng)記錄，這是國(guó)內(nèi)外通行的做法；另一種是設(shè)定熔體流出的時(shí)間。然后檢測(cè)該段時(shí)間流出的熔體的體積?？傊?，流出熔體的體積和流出時(shí)間是最終要知道的數(shù)值，而只要知道了熔體的密度，就可以知道流出的這一段熔體的質(zhì)量。我們回想一下原先的定義，就可計(jì)算出熔體流動(dòng)速率MFR了：MF

12、R600.m/t 將mr2.L.代入MFR600.r2.L./ t式中：r2活塞和料筒的平均截面積0.711 cm2，r為料筒內(nèi)孔平均半徑；L預(yù)先設(shè)定的活塞桿下移距離（一般為1”、1/4”,即25.4mm、6.35mm）;*熔體的密度，對(duì)PE，PE190 0.7636 g/cm3, 對(duì)PP，PP2300.7386 g/cm3經(jīng)簡(jiǎn)化得：MFRF/t式中：F系數(shù)，參見下表*： 材 料試驗(yàn)溫度行程長(zhǎng)度F PE1902.54cm8260.635cm207 PP2302.54cm799 0.635cm 200熔體的體積最終是由活塞桿的行程決定的，這樣，只要選定行程（一般在儀器上已設(shè)置若干規(guī)格），記錄計(jì)時(shí)

13、數(shù)值，就可很容易得到熔體流動(dòng)速率，而減少了很多的人為誤差。使用自動(dòng)測(cè)試方法，還可以測(cè)試低達(dá)零點(diǎn)零幾、高達(dá)上千數(shù)值的材料的熔體流動(dòng)速率，這在人工測(cè)試時(shí)簡(jiǎn)直是不可能的。六 熔體密度的測(cè)定上面在自動(dòng)測(cè)試的方法介紹中，已經(jīng)提到了熔體密度這一概念及其作用，對(duì)于PE，PP，不論其熔體流動(dòng)速率如何，在特定的溫度下，其熔體密度是一個(gè)常數(shù)*，對(duì)熔體流動(dòng)速率的測(cè)定帶來(lái)很多方便，但畢竟有許多材料，沒有正式公布其數(shù)值。但我們也可以通過(guò)以下方法來(lái)測(cè)定（注意，僅對(duì)被測(cè)的批次有效）。將儀器設(shè)置在自動(dòng)測(cè)試工作狀態(tài)，選擇行程（25.4/6.35/等等），從計(jì)時(shí)器自動(dòng)計(jì)時(shí)開始，切割一次，至記時(shí)結(jié)束為止，再切割一次。將這兩次切割間

14、的樣條稱重。重復(fù)幾次試驗(yàn)。同樣，現(xiàn)在的已知條件是：該樣條的質(zhì)量（m）、該樣條在熔融狀態(tài)下的體積（V= L.r2）。于是，可得出下式，以方便地計(jì)算該熔體的密度： =14m/L g/cm3式中， m樣條的平均質(zhì)量 gL活塞桿的行程。 mm七熔體體積流動(dòng)速率（MVR）的測(cè)定目前，一般而言的熔體流動(dòng)速率都是指熔體質(zhì)量流動(dòng)速率MFR，而在最近的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，已根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11331997，增加了“熔體體積流動(dòng)速率”的內(nèi)容。1 定義熔體體積流動(dòng)速率是指熱塑性材料在一定溫度和壓力下，熔體每10min通過(guò)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)口模的體積，用MVR表，單位： cm3/10min.它從體積的角度出發(fā)，來(lái)表達(dá)熱塑性材料在熔

15、融狀態(tài)下的粘流特性，對(duì)調(diào)整生產(chǎn)工藝，提供了科學(xué)的指導(dǎo)參數(shù)。2測(cè)定方法及計(jì)算按第5章“自動(dòng)測(cè)試方法”，根據(jù)計(jì)時(shí)的數(shù)值，按下式計(jì)算： *:ASTM：D123801 10.Procedure BAutomatically Timed Flow Rate Measurement MFR600 r2 . L/t =427 L/tL與t的意義同上。 八試驗(yàn)中遇到的幾個(gè)問(wèn)題1測(cè)試數(shù)據(jù)離散這里所指的離散，是嚴(yán)重的程度，相同材料的試驗(yàn)值有相差數(shù)倍的，這種情況多發(fā)生在粉料狀態(tài)。這是由于材料的熱降解或交聯(lián)引起的，因此，在必要時(shí)，需要加入穩(wěn)定劑（抗氧化劑）來(lái)解決。2 關(guān)于熔體流動(dòng)速率值偏低的分析2.1 料桿運(yùn)動(dòng)的靈活

16、性 料桿在料筒內(nèi)孔中能保持垂直運(yùn)動(dòng)，依靠軸線的兩點(diǎn)定位，一是料桿的測(cè)量頭部與料筒內(nèi)孔間的0.075mm左右的公差配合，二是料桿中間部位與導(dǎo)向套之間的公差配合,使料桿在料筒內(nèi)既能自由上下運(yùn)動(dòng),又不會(huì)歪斜,保持垂直。而且從理論上講,使用的年限越長(zhǎng),摩擦系數(shù)越小,越靈活。操作時(shí),導(dǎo)向套良好地固定,能有效的防止料桿彎曲變形，這是用戶常有疏忽的。然而,用戶有時(shí)很少注意到料桿的靈活運(yùn)動(dòng)。當(dāng)使用一段時(shí)間后,料桿上很明顯地會(huì)薄薄地沉積一層焦化物,即使用戶在每次都認(rèn)真地清洗了料桿,這一層沉積物還是慢慢地形成了(更不用說(shuō)有些用戶本身的清洗工作就做得很差),而且,導(dǎo)向套的內(nèi)壁還不會(huì)去清洗它,這樣,使用一段時(shí)間后,料

17、桿和導(dǎo)向套之間的配合將不再是這么如意,越來(lái)越粘滯,卻始終引不起用戶的注意。至于導(dǎo)向套未妥善地放置，以致沒有起到導(dǎo)向作用而使活塞桿歪斜，也是常見現(xiàn)象。這些故障的結(jié)果是測(cè)量值明顯偏小,而用戶往往怪罪于其它原因。2.2 口模及料筒的情況 按操作要求，料筒在每次試驗(yàn)時(shí)，都要清洗，口模要求最少每天清洗一次及在換料前清洗，但用戶一般對(duì)料筒每次都認(rèn)真清洗，而疏忽了口模，一方面當(dāng)然還是因?yàn)榭谀ｋy以清洗之故。常用的口模內(nèi)徑是2.0950.005mm,口模內(nèi)徑直接影響了熔體流經(jīng)的速度，其內(nèi)壁更容易沉積焦化物，而薄薄地一層，相對(duì)于小口徑來(lái)說(shuō)，已占了相當(dāng)?shù)谋壤?，使熔體流經(jīng)的阻力大大增加，試驗(yàn)值明顯減小。對(duì)口模內(nèi)徑測(cè)試

18、，發(fā)現(xiàn)內(nèi)徑減小了。但我們知道，除了口模受到外力的敲擊，使內(nèi)孔發(fā)生變形外，在正常使用的情況下口模內(nèi)徑總是變大的。上述二種情況，是該種儀器最常見的故障，它們都使試驗(yàn)值偏小，甚至有減少一倍以上的。筆者曾遇到一家頗有聲望的單位，該單位的一臺(tái)進(jìn)口儀器的口模不小心掉了，買了一只國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的口模，剛開始時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)一切正常，后來(lái)突然發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)偏小，越來(lái)越嚴(yán)重，便懷疑口模不好，要求筆者提供一只。經(jīng)筆者檢查，該機(jī)料桿不靈活，口模內(nèi)孔也臟，經(jīng)清洗后，一切恢復(fù)正常。 清洗方法很簡(jiǎn)單:趁熱態(tài)按常規(guī)清洗料桿、料筒及口模后，將料桿和導(dǎo)向套分離，用最細(xì)的金相砂紙，沾油后將料桿表層的沉積物打磨掉，同時(shí)，將一小片沾油的砂紙卷起，塞

19、入口模以及導(dǎo)向套內(nèi)孔，輕輕拉動(dòng)，當(dāng)能看到金屬本色后，即可獲得當(dāng)初靈活自如的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)也將恢復(fù)正常。2.3 料筒的加熱 料筒有一定的長(zhǎng)度，因此在料筒外緣套有數(shù)只不銹鋼外殼的加熱圈(有的廠家的產(chǎn)品用電熱絲繞在外緣)。由于溫度控制的測(cè)量點(diǎn)僅在下段的一個(gè)區(qū)間，因此當(dāng)加熱圈局部損壞時(shí)，即使溫度顯示還是達(dá)到原來(lái)的數(shù)值，但料筒內(nèi)的溫度分布已發(fā)生了或高或低的變化,使試驗(yàn)值明顯偏離。 這類故障的一般外部反映為:溫度控制反映遲鈍,波動(dòng)大,恢復(fù)時(shí)間明顯延長(zhǎng)（一般為46分鐘），甚至無(wú)法穩(wěn)定，用交流電流表測(cè)儀器電源電流，在加熱狀態(tài)將明顯低于額定電流。此時(shí)，需有專業(yè)儀器維修人員更換內(nèi)部加熱圈。2.4 溫度的準(zhǔn)確性 國(guó)標(biāo)規(guī)定，溫度穩(wěn)定允差0.5，儀器盡管采用了電腦軟件控溫，消除了許多不穩(wěn)定因素，但隨時(shí)間的流逝，傳感器及電子電路總有些許變化使穩(wěn)定顯示值偏差。因