實(shí)驗(yàn)11 聚合物熔體流動(dòng)速率及流動(dòng)活化能的測(cè)定

1、實(shí)驗(yàn)十一 聚合物熔體流動(dòng)速率及流動(dòng)活化能的測(cè)定 在塑料加工中，熔體流動(dòng)速率是用來衡量塑料熔體流動(dòng)性的一個(gè)重要指標(biāo)。通過測(cè)定塑料的流動(dòng)速率，可以研究聚合物的結(jié)構(gòu)因素。此法簡單易行，對(duì)材料的選擇和成型工藝條件的確定有其重要的實(shí)用價(jià)值，工業(yè)生產(chǎn)中采用十分廣泛。但該方法也有局限性，不同品種的高聚物之間不能用其熔融指數(shù)值比較其測(cè)定結(jié)果，不能直接用于實(shí)際加工過程中的高切變速率下的計(jì)算，只能作為參考數(shù)據(jù)。此種儀器測(cè)得的流動(dòng)性能指標(biāo)，是在低剪切速率下測(cè)得的，不存在廣泛的應(yīng)力應(yīng)變速率關(guān)系，因而不能用來研究塑料熔體粘度和溫度，粘度與剪切速率的依賴關(guān)系，僅能比較相同結(jié)構(gòu)聚合物分子量或熔體粘度的相對(duì)數(shù)值。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

2、：1了解熱塑性塑料在粘流態(tài)時(shí)粘性流動(dòng)的規(guī)律。2熔體速率儀的使用方法。二、實(shí)驗(yàn)原理： 所謂熔體流動(dòng)速率（MFR）是指熱塑性塑料熔體在一定的溫、壓力下，在10分鐘內(nèi)通過標(biāo)準(zhǔn)毛細(xì)管的質(zhì)量，單位：g/10min。 對(duì)于同種高聚物，可用熔體流動(dòng)速率來比較其分子量的大小，并可作為生產(chǎn)指標(biāo)。一般來講，同一類的高聚物（化學(xué)結(jié)構(gòu)相同）若熔體流動(dòng)速率變小，則其分子量增大，機(jī)械強(qiáng)度較高；但其流動(dòng)性變差，加工性能低；熔體流動(dòng)速率變大，則分子量減小，強(qiáng)度有所下降，但流動(dòng)性變好。 研究流動(dòng)曲線的特性表明，在很低的剪切速率下，聚合物熔體的流動(dòng)行為是服從牛頓定律的，其粘度不依賴于剪切速率，通常把這種粘度稱為最大牛頓粘度或0剪

3、切粘度0，它是利用f（S）關(guān)系，從很小的剪切應(yīng)力（S）外推到零求得的。根據(jù)布契理論，線形聚合物的零剪切粘度與大于臨界分子量的重均分子量()的關(guān)系式為，式中K是依賴于聚合物類型及測(cè)定溫度的常數(shù)。許多研究表明，對(duì)于分子量分布較窄或分級(jí)的高密度聚乙烯，是遵守3.4次方規(guī)則的。但在分子量分布寬時(shí)，M的指數(shù)有所增大。如果使指數(shù)保持為3.4，則需用某種平均分子量（）代替重均分子量，其關(guān)系式為： - （l） 式中，。當(dāng)分子量分布窄時(shí)，接近；當(dāng)分子量分布寬時(shí)，接近Z均分于量。在實(shí)際應(yīng)用中，不是用零剪切粘度評(píng)定分子量，而是用低剪切速率的熔體流動(dòng)速度（習(xí)慣上叫熔融指數(shù)）評(píng)定的。經(jīng)研究，熔融指數(shù)與重均分子量的關(guān)系如

4、下： - （2） 但由于熔融指數(shù)不只是分子量的函數(shù)，也受分子量分布及支鏈的影響，所以在使用這一公式時(shí)應(yīng)予注意。 按照ASTM規(guī)定，聚乙烯的熔融指數(shù)是在190，負(fù)載2.16公斤下，熔體在10分鐘內(nèi)通過標(biāo)準(zhǔn)口型（2.0958mm）的重量，單位為g/10min。 下面討論如何用熔融指數(shù)測(cè)定聚合物熔體的流動(dòng)活化能。對(duì)高聚物熔體粘度進(jìn)行的大量研究表明，溫度和熔體零剪切粘度的關(guān)系在低切變速率區(qū)可以用安德雷德方程描述。 - （3） 式中0為溫度T下時(shí)的零剪切粘度，E為大分子的鏈段以一個(gè)平衡位置移動(dòng)到下一個(gè)平衡位置必須克服的能壘高度，即流動(dòng)活化能。上式在50的溫度區(qū)間內(nèi)具有很好的規(guī)律，把（3）式化為對(duì)數(shù)形式，

5、得： - （4） 以lg0對(duì)1/T作圖，應(yīng)得一直線，其斜率為E2.303RT由此很容易標(biāo)出E.由于需要在每一溫度條件下用改變荷重的方法做一組實(shí)驗(yàn)，通過外推才能求得零剪切粘度。所以費(fèi)時(shí)太多。可以利用熔融指數(shù)儀，測(cè)定不同溫度，恒定切應(yīng)力條件下的MI值，并由此求出表觀活化能。原理如下： 由泊蕭葉方程知道，通過毛細(xì)管粘度計(jì)的熔體的粘度 - （5） 式中：R與L分別為毛細(xì)管的半徑與長度；P為壓差；V為體積流速。則： - （6）在固定毛細(xì)管及的條件下 - （7）由MI的定義知道，MI正比于V，所以 - （8）將其代入（3）式，得 - （9）由上式可導(dǎo)出 - （10） 式中BlgAlgK。以-lgMI對(duì)1/

6、T作圖，應(yīng)得一直線，由其斜率可求得E。還可以利用MI的實(shí)測(cè)值計(jì)算樣品的，A及不同溫度下的值。三、儀器與試劑：圖11-4 XRZ-400A圖11-3 XRZ-400A XRZ-400A型熔體流動(dòng)速率儀，該儀器由試料擠出系統(tǒng)和加熱控制系統(tǒng)兩部分組成，其面板及主體結(jié)構(gòu)分別如圖11-1和11-2所示。天平、聚乙烯粒料。四、實(shí)驗(yàn)條件：測(cè)定不同結(jié)構(gòu)的塑料的熔體流動(dòng)速率，所選擇的溫度、負(fù)荷、試料用量、切割時(shí)間等各不相同，其規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)見表11-1、11-2。表11-2有關(guān)塑料試驗(yàn)條件按表11-1序號(hào)選用。PE 1，2，3，4，6POM 3PS 5，7，11，13ABS 7，9PP 12，14PC 16PA 10

7、，15丙烯酸酯 8，11，13纖維素酯 2，3共聚、共混和改性等類型的塑料可參照上述分類試驗(yàn)條件選用。表11-2試樣加入時(shí)用活塞壓緊，并在1min內(nèi)加完，根據(jù)選用的試驗(yàn)條件加負(fù)荷。注：如果MFR10時(shí)，這種情況下預(yù)熱期間可不加負(fù)荷或加較小負(fù)荷。2溫度波動(dòng)應(yīng)保證在0.5以內(nèi)（爐溫須在距標(biāo)準(zhǔn)口模上端10.0mm處測(cè)量）3天平感量為0.001g。4秒表精確至0.1s。五、實(shí)驗(yàn)步驟（一）熔體流動(dòng)速率的測(cè)定：1將儀器調(diào)至水平。2儀器需清潔，在裝好標(biāo)準(zhǔn)口模并插入活塞后，開始升溫，當(dāng)溫度升到規(guī)定溫度時(shí)，恒溫15min。3根據(jù)試樣預(yù)計(jì)的熔體流動(dòng)速率值，按表11-2稱取試樣并加入料筒中。4試樣經(jīng)4min預(yù)熱，爐

8、溫度恢復(fù)到規(guī)定溫度。可用手壓使活塞降到下環(huán)形標(biāo)記，距料筒口5mm10mm為止，這個(gè)操作時(shí)間不超過l min。待活塞下降至下環(huán)形標(biāo)記和料筒口相平時(shí)切除己流出的樣條，并按表11-2規(guī)定的切樣時(shí)間間隔開始正式切取。保留連續(xù)切取的無氣泡樣條5個(gè)。 當(dāng)活塞下降到上環(huán)形標(biāo)記和料筒口相平時(shí)，停止切取。注：MFR25時(shí)，可選用1.180mm的標(biāo)準(zhǔn)口模。試樣條長度最好選在10mm20mm之間，但以切樣間隔為準(zhǔn)。樣條冷卻后，置于天平上稱重。若每組所切樣中重量的最大值和最小值之差超過其平均值的10，實(shí)驗(yàn)應(yīng)重做。每次試驗(yàn)后，必須用紗布擦凈標(biāo)準(zhǔn)口模表面、活塞和料筒，模孔用直徑合適的黃銅絲或木釘趁熱將余料頂出后用紗布擦凈。（二）LDPE流動(dòng)活化能的測(cè)定 在130-230區(qū)間選5-6個(gè)溫度點(diǎn)，按（一）的步驟分別測(cè)定LDPE的流動(dòng)速率。六、結(jié)果計(jì)算：1 熔體流動(dòng)速率按下式計(jì)算：MFR600w/t式中： MFR為熔體流動(dòng)速度（g/10min）； W為切取樣條重量的算術(shù)平均值（g）t為切樣時(shí)間間隔（s）；計(jì)算結(jié)果取二位有效數(shù)字。2以-lgMI1/T103作圖，由直線斜率求得求出流動(dòng)活化能E。3利用（2）式計(jì)算LDPE試料的分子量。思考題：1聚合物