透明尼龙熔体流变性能的研究_王莲英

2005年 第 26 卷 第4 期 华　北　工　学　院　学　报 Vol. 26　No . 4　2005 (总第102 期) JOURNAL OF NORTH CHINA INSTITUTE OF TECHNOLOGY ( Sum No . 102) 文章编号: 1006-5431( 2005) 04-0289-03 透明尼龙熔体流变性能的研究 X 王莲英, 李　玲, 董风云, 萧忠良 (中北大学 化学工程系, 山西 太原 030051) 摘　要:　利用 XLY-Ⅱ 型毛细管流变仪研究了剪切速率、剪切应力和温度对透明尼龙熔体 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 观粘度的影 响. 在测试温度范围内, 透明尼龙熔体的表观粘度随着温度的升高、剪切速率和剪切力的增大而降低;透明 尼龙熔体为假塑性流体, 其非牛顿指数小于 1. 关键词: 　透明尼龙; 流变性能; 假塑性流体; 毛细管流变仪 中图分类号: 　O633. 22　　　文献标识码: A Study on Rheological Properties of Transparent Nylon WANG Lian-y ing , LI L ing, DONG Feng-yun, XIAO Zhong-l iang ( Dept. of Chemical Eng ineering, No rt h Univer sity of China, T aiyuan 030051, China ) Abstract: T he ef fects o f shear rate, shear st ress and temperatur e on apparent v isco sity of t ransparent nylon w ere discussed by means of XLY-Ⅱ capillary rheometer. T he expermental resul ts show that the apparent v isco sity decreases w ith the incr ease of shear rate, shear st ress and temperature w ithin the range of temper ature studied and the value of non-New tonian index o f t ransparent ny lon is less than 1, indicat ing a pesudoplast ic fluid. Key words : t ranspar ent nylon; rheo logical property ; pesudoplast ic fluid; capillary rheometer 流变行为是塑料的主要加工性能之一, 塑料熔体的流动性能代表了熔体充满型腔的能力[ 1, 2] . 在聚 合物熔体中, 大分子相互缠结成团, 形成超分子结构. 这种分子团的大小, 相互缠结的程度及相互之间 的作用决定聚合物熔体的流变特性. 高聚物最终能否获得应用取决于两个方面: ¹ 高聚物的分子链结构 和相对分子质量分布; º 高聚物的流变行为. 后者决定了高聚物被加工为最终产品时的加工方法 [ 3] . 因 此, 高聚物熔体的流变特性直接影响到其加工的难易程度、工艺条件的确定, 而且根据高分子材料流变 性能可确定加工条件与力学性能之间的关系, 为高分子材料的制品加工和应用提供理论依据. 作者用毛 细管流变仪研究了这种聚酰胺的流变性能, 以期为该产品的加工、应用以及合成工艺的改进提供依据. 1　实验部分 1) 原料. 透明尼龙, 上海瑞邦工程塑料有限公司提供. 2) 流变数据的测定. 采用吉林大学科技仪器厂生产的 XLY-Ⅱ 型毛细管流变仪, 毛细管直径 D= 1 mm , 长度 L = 4 cm , 其长径比 L / D= 40, 故未作 Beg ley 入口校正, 入口角为 90°. 将透明尼龙在 90℃ 真空干燥 24 h, 然后取 ( 2～3) g 试样装入一定温度的料筒内, 压实, 恒温 10 min, 在恒定负荷下, 将透 明尼龙熔体由毛细管挤出, 电子记录仪自动记录熔体的温度和挤出速度. 测试温度选为 230 ℃, 240 ℃, X 收稿日期: 2004-09-11 　基金项目: 部级“十五”预研基金资助项目 　作者简介: 王莲英( 1977- ) , 女, 硕士生. 主要从事高分子材料研究. 250℃, 260℃. 3) 流变数据处理. 熔体流经圆形毛细管, 经牛顿粘性定律推得: 剪切应力 Sw = 9. 807×104× $p·R/ 2L , Pa; 剪切速率 Cw= 4Q /PR 3, s- 1 ; 非牛顿指数 n= dlg Sw / dlg Cw ; 非牛顿流体剪切速率 C′w= Cw ( 3n+ 1) / 4n, s- 1; 表观粘度Ga= Sw / C′w , Pa·s. 式中, $p 为毛细管两端压力差, Pa; L 为长度, cm ; R 为半径, cm; Q 为流经毛细管的体积流量, cm 3/ s . 2　结果与讨论 2. 1　透明尼龙的流动曲线 图 1　透明尼龙的流变曲线 Fig. 1　Rheological cur ves of t ransparent nylon 对高聚物熔体而言, Sw和 Cw的关系一般服从幂律公 式[ 4] ( Sw = k·Cnw ) , 这一规律保证了在较高的剪切应力下 具有良好的加工性能. 以 lg Sw对 lg Cw作图得一直线, 如 图 1 所示, 其斜率为非牛顿指数 n. 由图 1 可以看出: 在 所测试的温度范围内( 230～260) ℃, 在相同剪切应力的 作用下, 剪切速率随温度的升高而增加, 并且 lg Sw和 lg Cw 之间基本呈直线关系, 直线斜率即为非牛顿指数 n. 非牛顿指数 n 在实验测定的范围内为定值, 不随剪切速 率的变化而变化, 非牛顿指数均小于 1(如表 1所示) , 因 此, 透明尼龙熔体为假塑性流体. 表 1　透明尼龙在测试范围内的非牛顿指数 Tab. 1　Non-new tonian index of t ransp arent n ylon w ithin the s tudying temperatu re 温度/℃ 230 240 250 260 非牛顿指数 n 0. 790 0. 795 0. 805 0. 818 2. 2　表观粘度与剪切应力的关系 透明尼龙在 ( 230～260) ℃ 的表观粘度与剪切应力的关系如图 2所示. 由图 2可见, 剪切应力增大, 表观粘度降低. 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 其原因, 主要是当剪切应力增大时, 部分物理缠结 点被解除, 缠结点数目下降, 导致表观粘度下降. 温度较高时(如 260 ℃ 时) , 透明尼龙的表观粘度对剪 切应力较敏感; 温度较低时, 表观粘度对剪切应力的影响不是太明显. 图 2　透明尼龙的 lg Ga与 lg Sw的关系 Fig. 2　Relat ionsh ip of lg Ga t o lg Sw of t ransparent nylon 图 3　透明尼龙的 lg Ga与 lg Cw的关系 Fig. 3　Relat ionsh ip of lg Ga t o lg Cw of t ran sparent nylon 2. 3　表观粘度与剪切速率的关系 透明尼龙在测试范围内, 表观粘度与剪切速率的关系如图 3 所示. 由图 3 可见, 粘度随表观剪切速 率的升高而降低, 即出现所谓的“切力变稀”现象. 一般对高分子切力变稀认为是由于高分子在流动时各 液层间存在一定的速度梯度, 细而长的大分子若同时穿过几个不同流速的液层时, 同一个大分子的各个 部分都以不同的速度前进, 这种情况显然不能持久. 因此, 流动时每个长链分子总是力图使自己完全进 290 华 北 工 学 院 学 报 2005 年第4 期 入同一流速的流层, 不同流速层的平行分布导致分子链在流动方向的取向. 由于高聚物熔体的流动是通 过分子链段的协同运动得以实现的, 而分子链段的协同跃迁取决于链段跃迁的能力和在跃迁链段周围是 否存在可以接纳其跃入的空间两个因数, 因此分析其原因, 主要是在流动过程中分子链构象会发生变 化, 分子链一面滑动、取向, 一面松弛收缩, 这两方面都是有阻力的. 当剪切速率增大时, 流动时间比松 弛时间短, 分子链来不及松弛收缩或已取向的分子链只收缩了一部分, 减少了收缩所产生的阻力, 故表 观粘度降低. 此外, 剪切速率增大使影响流动的缠结点解脱, 也是表观粘度下降的原因之一. 2. 4　表观粘度与温度的关系 温度是影响高聚物流体的流动性质的重要因素之一. 温度对流变性能的影响是通过基质大分子的运 动能力来体现的. 透明尼龙表观粘度与温度的关系如图 4 所示. 图 4　透明尼龙 lgGa和 T 的关系曲线图 Fig. 4　Relat ionship of lgGa t o 　　　　　　　　　　T of t ransparent nylon 由图 4 可见, 在测试温度范围内, 温度升高, 表观粘 度降低. 这是因为温度升高, 分子链的活动性增大, 分子 间距离变大, 分子间内摩檫减小, 所以流动阻力减小, 表 观粘度降低, 流动性提高, 有利于成型加工. 此聚合物熔 体的表观粘度与温度的关系服从 Arrhenius 定律[ 5 , 6] Ga = k õ exp( $E/ RT ) , ( 1) 式中　$E 为粘流活化能; k 为常数; R 为摩尔气体常数. 式 ( 1) 可变形为 ln Ga = ln k + $E / RT . ( 2) 　　用所求得的透明尼龙熔体表观粘度取对数并对温度 的倒数作图, 发现 ln Ga与 1/ T 有较好的线性关系. 从图 中直线斜率可求得不同载荷下的粘流活化能. 表 2 为透明尼龙不同载荷下的粘流活化能. 表 2　不同剪切速率下透明尼龙的粘流活化能 Tab. 2　Act ivat ion energ y of vis cous f luid f low of t ranspar ent nylon at dif feren t sh ear rates 载荷 F / MPa 5. 88 7. 84 9. 80 13. 7 粘流活化能 $E/ J·m ol- 1 6. 817 6. 535 6. 269 6. 167 　　由表 2 可见, 随着载荷的增加, 粘流活化能减小. 由于粘粘流活化能越大, 温度对表观粘度的影响 越显著, 所以在载荷较低时, 熔体粘流活化能较大, 对温度的依赖性也更大一些, 在此情况下适当升高 加工温度更有利于熔体加工性能的改善. 3　结　论 1) 在所研究的温度和剪切速率范围内, 透明尼龙熔体为假塑性流体; 透明尼龙熔体表观粘度随着温 度的升高、剪切速率的增大而降低, 熔体粘流活化能随载荷的增大而降低. 2) 在测试温度范围内, 非牛顿指数 n 小于1, 且在恒定温度下为定值. 参考文献: [ 1]　金日光. 高聚物流变学及其在加工中的应用[ M ] . 北京: 化学工业出版社, 1986. 44- 46. [ 2]　王贵恒. 高分子材料成型加工原理[ M ] . 北京: 化学工业出版社, 1998. 13- 37. [ 3]　陈国康, 顾利霞. 聚对苯二甲酸丙二醇酯树脂的流变特性研究[ J] . 高分子材料科学与工程, 2001, 17( 4) : 94- 97. Chen Guokang , Gu Lixia. Study on Rheo lo gical P r operties of PET [ J] . Macr omo lecule Mat erial Science and Eng i- neering, 2001, 17( 4) : 94- 97. ( in Chinese) [ 4]　Donald G Baird, Dimitr is I Collias. P olymer Processing [ M ] . 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