热塑性聚合物熔体流动速率的测定2011-5-29 - 图文

热塑性聚合物熔体流动速率的测定

--结晶、细颈和熔体不稳定流动现象的观测

实验人员：张伟宏，孟雨佳，姜文龙，文正凯，王婷婷，商金辉

1、前言

高聚物熔体的流动行为是高聚物流变学研究的重要内容，对高聚物的成型加工具有重要的指导意义。高聚物熔体流动性能的好坏一般用表观粘度的大小来评价，但表观粘度的测量需要毛细管流变仪等专门仪器，而此仪器价格较高，多集中于高校和科研院所，一般生产企业并不具备。所以工业上常用熔体流动速率（熔融指数）来表征聚合物熔体的流动和加工性能。

熔体流动速率（MFR）的测量用熔体流动速率仪来完成，简便易行。但一般的测量过程和目的，仅在于得到某种聚合物MFR的数据，对其它现象并不关注。实际上，对于结晶性聚合物如PE、PP等，在测量MFR时，除了可得到MFR数据，还可观察到聚合物熔体的结晶现象、样条拉伸时的“细颈”现象及高熔体挤出速率时的熔体不稳定流动现象；通过测量毛细管的直径和挤出样条的直径，还可观察到巴拉斯效应即挤出胀大现象，并计算出胀大比。

若以挤出的聚合物熔体质量为参数，还可以通过改变仪器的条件参数，在较高的温度或较大的砝码重量下，较短的切料间隔时间，或者较低的温度和较长的切料间隔时间，得到同质量的聚合物样条。这在一定程度上可以说明聚合物分子运动的松驰特性，即时-温等效性。

而上述现象的观察和测量，并不需要额外增加聚合物原材料的用量，只利用MFR测量时的切样前和切样后的余料即可完成。

2、实验目的

1）通过实验掌握热塑性高聚物熔体流动速率的测定方法及原理。

2）利用熔体流动速率测定时的余料，观察结晶性高聚物的结晶、细颈、挤出胀大和熔体的不稳定流动现象。

3、实验原理

热塑性聚合物的熔体流动速率（MFR）是指在一定温度和负荷下，聚合物熔体每10min通过规定直径和长度的标准毛细管的质量值，单位以g/10min表示，有时也称熔融指数（MI）。

熔体流动速率是在标准的熔体流动速率仪中测定的。先把一定量的高聚物放入按规定温度的料筒中，使之全部熔融，然后在规定的负荷下使它从固定直径的毛细孔中流出来，并规定用10分钟内流出来的高聚物的质量克数作为它的熔体流动速率。在相同条件下（同一种聚合物、同温度、同负荷），熔体流动速率越大，说明它的流动性越好，相反熔体流动速率小，则流动性越差。

在测量熔体流动速率（MFR）的实验过程中，如果采用结晶性聚合物，除了可以得到熔体流动速率的数据，还可以利用切样前和切样后的余料，来观察结晶性聚合物熔体的结晶现象、结晶性聚合物拉伸时的细颈化现象、熔体的挤出胀大和不稳定流动现象。

以聚乙烯为例，熔融的聚乙烯从熔体流动速率仪标准口模中流出后，随着温度的降低，聚乙烯熔体会结晶，而晶体结构的形成对聚乙烯的外观和性能有较大的影响。当聚乙烯熔体从标准口模中流出后，此时的温度还在熔点以上，呈均相结构，外观透明，见图1；随着熔体的逐渐降温，当温度到达它的结晶温度，熔体会逐渐结晶，但又不会100%全部结晶，存在晶区和无定型区两相结构，外观发白，不透明。将在室温稳定一段时间的聚乙烯样条进行拉伸测试（可以用手），可以观察到细颈化现象。

图1从标准口模中流出的熔体结晶

所谓“细颈化”是指试样在一处或几处薄弱环节首先变细，变细的部分即为细颈。继续拉伸时，细颈部分的直径不再发生变化，但长度不断增加，这是非细颈部分逐渐变成细颈部分的缘故，直至整个试样全部变细为止。这一过程中应力的大小不变或略有降低，但应变（伸长率）可达500％以上，由于是在较低温度下出现的不均匀拉伸，所以又称为“冷拉”，见图2。细颈现象是晶态高聚物拉伸时典型的物理现象，出现的原因是拉伸过程中伴随着高分子链的取向，同是也发生晶体的熔融、取向和再结晶过程。

挤出高聚物熔体时，如果剪切速率超过一个极限值，则挤出物不再平滑，会出现表面粗糙、起伏不平、呈螺旋状波动、挤出物扭曲甚至完全破裂，这种挤出物不规则的现象称为熔体破裂或者不稳定流动，见图3。而高聚物的挤出胀大现象则是指从模口出来的聚合物熔体的直径大于模口直径的现象。挤出胀大现象和熔体的不稳定流动现象，都是由聚合物熔体的粘性流动过程中同时伴随着可逆的高弹形变所导致的。

图2拉伸后出现细颈现象 图3熔体的不稳定流动象

.

4、实验仪器及原料 4.1仪器

水平仪、天平（感量0.001g）、白色的绸布和棉纱、镊子。

XNR－40AM塑料熔体流动速率测试仪（见图4）。该仪器由挤出系统和加热控温系统两部分组成。试料挤出系统包括砝码、料筒、压料杆、毛细管组成。加热控制系统由炉体、控温定值电桥、相敏放大器、可控硅触发电路组成。

图4 熔体流动速率测试仪

4.2原料

PE粒料。

5、实验步骤 5.1准备工作

1) 熟悉熔体流动速率仪主体结构和操作规程，根据塑料类型选择实验条件。 2) 仪器调整和口模安装

先把联接口模挡板的推拉杆向炉体推入，然后把水准支杆从料筒的上端口插入料筒，并使支杆的底部与口模挡板接触，再把水准仪放在支杆上。调节底座下面的四个调节螺钉，使水准泡在水准仪正中，使料筒达到铅直状态（注：这是为了避免活塞引起过分摩擦或在重的负荷下完全）。接着锁紧调节螺母上的锁紧螺母，取下水准仪和支杆。

从料筒的上端口装入口模，并用装料杆将其压到与口模挡板接触为止。接着，将活塞插入料筒中。

5.2实验操作

1) 接通电源，打开控制面板上的电源开关，电源指示灯亮。进入实验主页，设置实验参数。实验参数设置结束后，仪器开始升温。当温度达到要求温度时，恒温30分钟。

2) 恒温30分钟后，取出活塞，将试料用料斗加入料筒，随即把活塞再插入料筒并用力下压压紧试料，预热4分钟使炉温回复至要求温度。

3) 在活塞顶托盘上加上砝码，随即用手轻轻下压，促使活塞在1分钟内降至下环形标记距料筒口5～10mm处。观察出来物料的结晶情况。待活塞自行（不用手）降至下环形标记与料筒口相平行时，将取样盘放在出料口下方，刮刀开始按设定的时间间隔自动刮料。以连续切取的无气泡样条五个为一组，保留多组。 4) 停止切样后，继续将余料压出，取相对较长的一段样条(用于拉伸测试)，置于室温让其结晶。样条取好后，加上所有剩余砝码（必要时可用手），将余料快速压出，观察样条的表面形貌（表面粗糙或呈波浪形），这是熔体不稳定流动所导致的。

5) 待物料全部压出后，立即取出活塞和口模，趁热用绸布和棉纱擦拭表面除去表面的余料，用口模清理棒细端顶出口模内的残料。用绸布绕在料筒清洗杆上，清洁杆在料筒内边推动边转动地擦拭几次，直至干净为止。

6) 待MFR样条冷却后，在天平上分别称其质量。若其质量的最大值和最小值之差大于平均值的10％，则换样条组或重作实验。

7) 测量样条的直径，并与口模毛细管的直径进行比较，计算胀大比。

8) 用双手（条件合适时，也可用拉力实验机）拉伸用于拉伸测试的样条，观察细颈化现象。

5.3注意事项

1) 装料、安放导套、压料都要迅速，否则物料全部熔融之后气泡难以排出。 2) 安放口模或取出口模时应小心；清洗料筒和口模毛细管时，用软料擦拭以防擦伤筒壁和口模毛细管。

3) 操作过程中要戴上手套，以防烫手。

6、实验结果与讨论 1）MFR值

试样名称： 温度： 负荷重： 压力： 样条号 取样时间 /秒 样条重 /克 样条平均重 /克 MFR/（克/10min） 1 2 3 4 5 MFR可按下列计算： MFR = W×600/t（克/10min）

式中：W--五个试样条质量的算术平均值（克）；

t--取样条时间（秒）。

2）结晶、不稳定流动时样条的外观和形貌描述；拉伸时发生“细颈”的现象描述及原因。

3）挤出胀大现象的描述及胀大比计算。

问题讨论：

1）测量熔体流动速率的意义并举例说明哪些因素影响测定结果？熔体流动速率数值在结构不同的聚合物之间能否进行比较？

2）是否所有热塑性塑料均可进行MFR测定？举例说明。

3）以挤出的PE熔体质量为参数，如何设计实验过程，可观察到聚合物的时-温等效性。

7、实验创新性说明

高聚物的结晶过程、结晶性高聚物拉伸时的细颈现象、熔体的挤出胀大现象和熔体的不稳定流动现象，是高分子物理课程中的重要知识点，而“热塑性聚合物熔体流动速率的测定”是高分子物理实验课程中的典型实验，一般院校都有条件开设。

本实验设计的创新之处在于，是通过选用结晶性聚合物PE，在完成“热塑性聚合物熔体流动速率的测定”实验教学的基础上，同时观察了高聚物的结晶现象、结晶性高聚物拉伸时的细颈化现象、熔体的挤出胀大现象和不稳定流动现象。上述现象的观察与测量，既直观又是学生的切身体验，有助于加深学生对课堂授课内容的理解。