DB44/T 783-2010 螺杆挤出式毛细管流变仪法测定 聚合物熔体流变性能 Determination of rheological properties of polymer melts by screw-extrusion capllary rheometer method

本标准规定了使用螺杆挤出式毛细管流变仪测定聚合物熔体的表观黏度、真实黏度和挤出胀大等流变性能参数的方法。
本标准适用于在挤出成型加工的温度和剪切速率范围里测定热塑性聚合物及其混合物的熔体流变性能。？[第1页] ICS 83.010.01 G 31 f Wt 29153-2010 DB44 广 东 省 地 方 标 准 DB44/T 783-2010 螺杆挤出式毛细管流变仪法测定 　　　聚合物熔体流变性能 Determination of rheo-ogical properties of polymer melts by screw-extrusion capi！ 一 ary rheometer method 2010-08-06发 布 2010-09-06实 施 夕 ～东 省 方 玩 量 土 支 刁 ＜I监 哐 予 振 嘉 发 布 [第2页] DB44/T 783-2010 月’」舀 　　本标准依据GB/T 1.1-2009规则编写 ， 非等效采用ASTM D5422-09《 使用螺杆挤出式毛细管流变 仪测试热塑性材料性能 》 ， 重新起草制定． 　　本标准由广东省质量技术监督局提出并归口 。 　　本标准主要起草单位：广州市计量检测技术研究院 。 　　本标准参加起草单位：聚合物成型加工工程教育部重点实验室 、 广东炜林纳功能材料有限公司 。 　　本标准主要起草人：蔡永洪 、 晋刚 、 孙晓辉 、 蒋果 、 陈俊 、 周伦彬 。 　　本标准为首次发布 。 [第3页] D844/T 783-2010 螺杆挤出式毛细管流变仪法测定聚合物熔体流变性能 范 围 　 　 本 标 准 规 定 了 使 用 螺 杆 挤 出 式 毛 细 管 流 变 仪 测 定 聚 合 物 熔 体 的 表 观 黏 度 、 真 实 黏 度 和 挤 出 胀 大 等 流 变 性 能 参 数 的 方 法 。 　 　 本 标 准 适 用 于 在 挤 出 成 型 加 工 的 温 度 和 剪 切 速 率 范 围 里 测 定 热 塑 性 聚 合 物 及 其 混 合 物 的 熔 体 流 变 性 能 。 2规范性引用文件 　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的．凡是注日期的引用文件 ， 仅注日期的版本适用于本文 件．凡是不注日期的引用文件 ， 其最新版本 （ 包括所有的修改单 ） 适用于本文件 。 　　GB/T 3682热塑性塑料熔体质量流动速率和熔体体积流动速率的测定 3术语和定义 下列术语和定义适用于本标准 。 表 观 剪 切 速 率 apparent shear rate, 4 　　假设流体行为呈牛顿特性 ， 在观测的体积流率下．熔体在毛细管壁面的剪切应变速率 （ 或速度梯 度 ） , s I. 3.2 　　表观剪切应力apparent shear stress, r, 　　假设流体行为呈牛顿特性以及所有压力降均发生在毛细管内部 ， 熔体在毛细管壁面的剪切应力 ， Pa. 3.3 　　表观黏度apparent viscosity, q. 　　表观剪切应力与表观剪切速率之比 ， Pa-s. 3.4 　　螺杆挤出式毛细管流变仪screw-extrusion capillary rheometer 　　具有圆孔形截面的毛细管口模和单螺杆塑化挤出装置 ， 同时毛细管入口压力 、 熔体温度 、 挤出速 率均可准确测量和控制的仪器 。 3.5 真实剪切速率true shear rate, Aw 表 观 剪 切 速 率 经 非 牛 顿 性 校 正 后 得 到 的 剪 切 速 率 。 ‘ 3.6 真实剪切应力true shear stress, rw [第4页] DB44/T 783-2010 熔 体 在 毛 细 管 壁 面 处 实 际 受 到 的 剪 切 应 力 ， Pa. 3.7 真实a度true viscosity, I 真 实 剪 切 应 力 与 真 实 剪 切 速 率 之 比 ， Pa-s. 3.8 毛 细 ， 入 口 压 力 die entrance pressure, P 料筒内毛细管入口处熔体的压力， Pa. 3.9 牛V流体Newtonian fluid 黏 度 不 随 时 间 和 剪 切 速 率 变 化 而 改 变 的 简 单 流 体 ． 3.拍 4律 流 体power一 ‘aw fluid 黏 度 随 剪 切 速 率 呈 幂 函 数 规 律 变 化 的 非 牛 顿 流 体 。 3.11 非 牛 顿 指 数 ！ 、on-Newton exponent, n 表 征 流 体 偏 离 牛 顿 流 体 程 度 的 无 量 纲 量 ． 3.12 挤出速WE extrusion flow rate, Q 单 位 时 间 挤 出 的 物 料 体 积 量 ， mm3/s. 4设 备 4.1螺杆挤出式毛细管流变仪 4.1.1基本结构 　　本仪器是一台在机头安装了毛细管口模的单螺杆挤出机 ， 基本结构如图I所示．图中省略了用于 支撑 、 驱动 、 传动 、 连接和紧固等部件． 　　说明：1-？ 机筒加热器； 2-—进料口； 3-—联轴器； 4-—螺杆：5 -—机简； 6-沮度传感器：7-—料筒｛8一一毛细管口棋｛9-—口模加热器：10一一压力传感器． 图1螺 杆 挤 出 式 毛 细 管 流 变 仪 基 本 结 构 [第5页] D844/T 783-2010 4.1.2单螺杆挤出机 　 　 通 常 单 螺 杆 挤 出 机 的 螺 杆 直 径 为 20 mm -30mm ， 偏 差 应 小 于 ± 0.02mm ， 长 径 比 20:1-30:1．压 缩 比 2:15:1. 　 　 单 螺 杆 挤 出 机 的 机 筒 温 度 应 能 够 分 区 段 实 时 监 控 ， 准 确 度 应 达 到 士1.0C ， 精 度 ± 0.2C. 4. 1. 3料筒 　 　 料 筒 的 内 径 介 于 6.35mm-25mm ， 偏 差 应 小 于 ± 0.007 mm 。 料 筒 上 靠 近 毛 细 管 口 模 入 口 处 一 侧 应 有 安 装 测 量 熔 体 压 力 及 温 度 的 传 感 器 的 孔 ． 安 装 孔 距 离 毛 细 管 入 口 平 面 应 不 超 过20mm （ 推 荐 距 离 等 于 料 筒 直 径 ） 。 料 筒 内 膛 经 过 抛 光 后 表 面 粗 糙 度 应 小 于RaO.25. 4. 1.4毛细管口模 　　毛细管内径D的偏差应小于± 0.007mm 、 长度L的偏差应小于± 0.025mm 。 口模内膛经过抛光后表 面粗糙度应小于RaO.25， 并且无明显偏心和钻痕或其他工具刻痕 。 　　测定表观剪切速率和表观剪切应力时 ， 应选择一个长径比L／0（ 即口模长度与内径之比 ） 大于等 于15、 入口角a等于180。 的毛细管口模。 一般建议选择长度L为15mm 、 内径D为I mm 、 入口角a 为180。 的毛细管口tq 。 必要时 ， 口模内径也可选择0.5mm. 2mm. 4mm 。 特殊情形下还可采用锥形入 口的口模 ， 口模入口锥形的底部直径应大于料筒内径的50%. 　　测定真实剪切速率和真实剪切应力时 ， 应选择至少两个具有相同内径 （ 偏差小于± 0.007mm ） 和入 口角 （ 偏差小于土10） 但长径比LID不同的毛细管口模 。 毛细管长径比一般取值0.25. 1. 5. 10. 15. 20. 30. 40. 　　当仅使用两个口模时 ， 它们的长径比LID至少应相差15以上 ， 以保证入口压力损失校正的Bagley 曲线无明显非线性 。 建议选择一个长径比较小 （ L/D=0.25-1） 的口模和一个较大 （ L/D=15-20） 的口模 ， 同时两个口模的直径和入口角均等于I mm 和180° . 　　通常使用‘挝／停”销钉定期检查毛细管口模的尺寸．最小插销取内径的下偏差 ， 蛀大插销取内径的 上偏差 。 “过”销应很容易地随7C通过口模 ， 而“停”销则从任何一端插入深度不应超过1mm. 4.1．5温度控制系统 　　温度控制系统应有效控制料筒与口模的温度 ， 温度随距离和时间的变化不应超出表1所规定的最 大允许误差 。 温度设定值应允许以l℃或更小的间隔进行调节． 　　样品的测试溢度应直接取自毛细管入口处熔体的温度．测量的准确度应达到士1.0C,精度达到 士0.2C. 　　　　　　　　　　　表1表1温度随距离和时间变化的最大允许误差 最 大 允 许 误 差 ℃ ｛ 测 试 温 度 ℃ ！ 　　　　　随距离 随 时 间 一 1 土1.0 士 《1.5 Tea ± 1.5 ± 1.0 200300 ± 2.0 土 1.5 4.1.8压力测量装置 [第6页] DB44/T 783-2010 　 　 压 力 传 感 器 或 测 力 元 件 的 工 作 范 围 应 是 额 定 量 程 的lo/o-95%， 最 大 允 许 误 差 应 不 超 过 满 最 程 的 1% 和 绝 对 值 的5%．压 力 传 感 器 或 测 力 元 件 需 按 国 家 标 准 进 行 定 期 校 准 ． 4.2附 件 4.2.， 清洁器具 4.2.2刮 刀 4.2.3秒表 ， 准 确 至f0.ls 4.2.4千分尺 5步 骤 5. 1测定熔体密度 　 　 按GBrT 3682方 法B的 规 定M 定 样 品 在 测 试 温 度 下 的 熔 体 密 度 ． 5.2装入样品 　 　 将 充 足 的 样 品 装 入 挤 出 机 料 斗 内 ． 样 品 的 形 态 （ 通 常 为 粒 状 或 者 粉 状 ） 应 有 利 于 喂 料 的 速 率 保 持 恒 定 ． 5.3预加热 　　设定挤出机和料筒及口模各区的测试温度 ， 进行预加热．设备在测试溢度上达到热平衡后至少保 持15分钟． 5.4连续挤出达到稳定状态 　　连续挤出 ， 实时监控挤出机各区的温度和料筒内熔体的温度．当毛细管入口压力在至少5分钟内 变化小于示值的3％时 ， 则挤出达到稳定状态． 5.5数据采集 　　使用刮刀准确地切取2分钟内的挤出物 ， 之后放在天平 （ 准确至f0.5mg ） 上离线测量 ； 或者使用在 线称重装置测量2分钟内挤出物质量的变化 ， 再根据熔体在测试im 度下的密度 （ 见GB/ T 3682方法B ） 将 质量换算成体积．挤出速率的最大允许误差应小于1%. 　　在测量挤出速率的2分钟的同时 ， 采集毛细管入口压力． 5.6改变挤出速率 　　改变螺杆转速 ， 重复步骤4.4-4.5至少两次以获得一定速率范围内的流动数据．必要时 ， 需要调节 毛细管口模温度以补偿材料的剪切温升 。 5.7更换口棋重复试验（ 需要时） 如 果 需 要 测 试 真 实 剪 切 应 力 和 真 实 黏 度 ， 应 准 备 至 少 两 个 不 同 长 径 比 的 毛 细 管 口 摸 ， 在 相 同 的 测 [第7页] D644/T 783-2010 试条件下重复步骤5.4-5.6. 　　注：使用三组或更多不同长径比的毛细管口模有利于提高Bagley曲线的线性度． 5.8清洗仪器设备 　　将挤出机内剩余的样品全部挤出 ， 可使用低IN度通用树脂 （ 如LDPE. LLDPE. PP等 ） 清洗挤出机 。 然后 ， 将毛细管口模和料筒从挤出机上拆下 ， 料筒可用布片擦净 ， 口模可以用紧配合的紫锏绞刀清理 ， 也可以在550℃土10℃的氮气环境下用热裂解的方法清洗 。 但不能使用r1料等可能损伤料筒和口模表面 的材料 。 必须注意 ， 所用的清洗程序不能影响口模尺寸和表面粗糙度．如果使用溶剂清洗料筒 ， 应保 证料筒及毛细管口模壁面上没有溶剂残留 。 6结果 挤 出 速 率 用 公 式 （ 1） 计 算 熔 体 挤 出 速 率 （Q)， 单 位 为 立 方 毫 米 每 秒 （mm3/s ): 0＝竺 　　　p 　 　 式 中 ： 　 　 ， ， 7— — 单 位 时 间 内 的 挤 出 质 量 ， 单 位 为 克 每 秒 （ 锣 s） ； 　 　P -—测 试ig度 下 的 熔 体 密 度 ， 单 位 为 克 每 立 方 毫 米 （ g/mm3 ). 6.2表观剪切速率 用 公 式 （ 2） 计 算 表 观 剪 切 速 率 （ 4)， 单 位 为 秒 分 之 一 （ S',): 遮 ＝2鲤 　 　 　 ∥ ？ DJ 　　式中： 　　0— —熔体挤出速率 ， 单位为立方毫米每秒 （ mm 3/3); 　　D一一毛细管内径．单位为毫米（ mm). 6.3表观剪切应力 用公式 （ 3） 计算表观剪切应力 （ r,)．单位为帕斯卡 （ Pa): 　 　 P0 瓦 ＝ 二 ＝ － 　 　 　 　 件 L ， 式中： P一一毛细管入口压力， 单位为帕斯卡（ Pa); D一— —毛细管内径 ， 单位为毫米 （ mm): L一— —毛细管长度 ， 单位为毫米 （ mm). [第8页] DB44/T 783-2010 6.4观黏度 用 公 式 (4） 计 算 熔 体 的 表 观 黏 度 （ 17a )＇单 位 为 帕 秒 （ Pa ？ s ): ～ 一 几 u‘＝ 万 式 中 ： 玲 — — 表 观 剪 切 速 率 ， 单 位 为 秒 分 之 一 （ S-1 ): Za -—表观剪切应力， 单位为帕斯卡（ Pa). 6.5真实剪切应力 　 　 真 实 剪 切 应 力 （ Zw ） 通 过 对 表 观 剪 切 应 力 做Bagley校 正 而 得 到 ．Bagley校 正 修 正 了 因 聚 合 物 熔 体 粘 弹 特 性 而 导 致 毛 细 管 入 口 压 力 在 入 口 区 的 损 失 （ 即 所 谓 的 “ 末 端 效 应 ” ） ． 步 骤 如 下 ： 　 　a ） 保 持 其 他 条 件 不 变 ， 使 用 至 少2个 （ 建 议3个 或 更 多 ） 具 有 相 同 入 口 角 和 内 径 但 不 同 长 度 的 　 　 　 　 毛 细 管 口 模 分 别 进 行 流 变 试 验 。 　 　b ） 采 用 下 列 方 法 之 ～ 计 算 真 实 剪 切 应 力 ： 　 　 　 　I） 几 何 法 ： 根 据 试 验 数 据 ， 绘 制 毛 细 管 入 口 压 力P随 长 径 比L0变 化 的 曲 线 图 ， 将 表 观 剪 　 　 　 　 　 　 切 速 率 相 同 的 点 拟 合 成 一 条 最 佳 直 线 （ 称 为Bagley线 ） ， 如 图2所 示 ．Bagley线 在P 　 　 　 　 　 　 轴 的 截 距 （ 几 ） 等 于 毛 细 管 入 口 压 力 损 失 ． 用 公 式 （ 5） 计 算 真 实 剪 切 应 力 ： 　 　 （ P-R ） 0 瓦 ＝ ＝ 一 一 二 ： ＝ － 　 　 　 　 　 　 qL 式 中 ： P ？ 毛细管入口压力 ， 单位为帕斯卡（ Pa); Po一 一 毛 细 管 入 口 压 力 损 失 ， 单 位 为 帕 斯 卡 （ Pa);; D一一毛细管内径 ， 单位为毫米 （ mm) ; L -—毛细管长度 ， 单位为毫米 （ mm) . [第9页] DB44/T 783-2010 说明： P -—一毛细管入口压力．单位为帕斯卡 （ Pa)-. 几一一毛细管入口压力损失， 单位为帕斯卡（ Pa);. u0— —毛细管长径比．无量纲； E -Bagley修正因子， 无量纲： 玲一表观剪切速率．单位为秒分之一（ s-I) 注 ： 上 角 撇 ’ 表 示 不 同 毛 细 管 口 模 （ 下 同 ） ． 图 2图 2. Bagley线 2） 解 析法：根据试验数据 ， 用公 式 （ 6） 和公式 （ 7） 分别计算Bagley修正因 子 （ E ） 和真实剪切 　　应力： E＝二 （｛ ＠ 二 丝 竺 些 　 　 　 　 　 　 　 　 尸 一 尸 瓦 ＝ 百 T画 5兵 可 上 两 式 中 ： P -—毛细管入口压力 ， 单位为帕斯卡 （ Pa) ; E — — Bagley修 正 因 子 ， 无 量 纲 ； D一一毛细管内径 ， 单位为毫米 （ mm) : L -—毛细管长度 ， 单位为毫米 （ mm) : 6.6非牛顿指数 用 公 式 （ 8） 计算 非 牛顿 指数 （ n)， 无 量 纲： ” ＝ 号 鼍 　 　 式 中 ： 　　T.真实剪切应力 ， 单位为帕斯卡 （ Pa); 　　A-—表观剪切速率 ， 单位为秒分之一 （ S",). 6.7真实剪切速率 　 　 用 公 式 （9) (Weissenberg-Rabinowitsch校 正 ） 计 算 真 实 剪 切 速 率 （ 点 ） ， 单 位 为 秒 分 之 一 （s“1): 搀＝等玲 式 中 ： n— —非牛顿指数 ， 无量纲 ； [第10页] DB44/T 783-2010 玲 — — 表 观 剪 切 速 率 ， 单 位 为 秒 分 之 一 （ s” ） ． 6.8真实黏度 用公式 （ 10） 计算熔体的真实14度 （ 刀 ） ， 单位为帕秒 （ Pa？ s ): (10) 式 中 ： Tw -—真 实 剪 切 应 力 ， 单 位 为 帕 斯 卡 （ Pa): 焉 — —真实剪切速率 ， 单位为秒分之一 （ s"). 7报告 报告应包括下列信息： a ） 设备： b ） 毛细管内径 、 长度 、 长径比｛ c ） 毛细管入口几何尺寸 ， 包括入口角和入口锥最大直径 ； d ） 样 品 ； 。 ） 样品预处理处理方法及工艺参数 ， 例如干燥或混合 ； 0测试温度； B ） 非牛顿指数 ； 句真实剪切速率； i） 真实剪切应力 ； J） 真实黏度： k ） 挤出物的任何异常情况 ， 例如变色或熔体破裂等： 1） 试验日期．