转矩流变仪研制的关键技术及在塑料加工中的应用以及应用关键塑料技术以及应用关键塑料技术以及应用关键塑料技术以及应用关键塑料技术

转矩流变仪研制的关键技术及在塑料加工中的应用以及应用关键塑料技术以及应用关键塑料技术以及应用关键塑料技术以及应用关键塑料技术 转矩流变仪研制的关键技术及在塑料加工中的应用 赵 洪 王 暄 崔思海 李 迎 (哈尔滨理工大学电气与电子学院 哈尔滨 150040 hongzhao@public.hr.hl.cn) 摘要 转矩流变仪是在一种综合性聚合物材料流变性能测量设备，其突出特点是能在接近于真实加工条件下，对材料的流变行为进行研究。可以广泛地应用于科学研究和生产实践的各种活动中，随着应用的不断扩展和深入，转矩流变仪的组成、功能和性能不断发展，呈现多功能、高性能、高精度和自动化等趋势。 转矩流变仪历经了机械测量式、电子测量式和基于计算机测控的综合性测试仪三个发展阶段。特别是基于计算机测控的综合性测试系统出现以来，由于计算机具有强大的数据处理能力，使得一些涉及大量数学运算和复杂数据处理测试 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 得以实现，从而使转矩流变仪的应用水平提升了一个新的高度。 本文介绍了研制转矩流变仪及相关的螺杆挤出流变仪和拉伸流变仪的部分关键技术。并给出了仪器的测量水平及其在塑料加工中的应用。 1(转矩流变仪 1(1混炼器及转子研制 混炼器可以完成聚合物熔体转矩时间曲线的测量。 混炼器的基本组成结构如图1所示。 图1混炼器基本结构图 混炼器的关键技术在于混炼器转子的加工制造，转子的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 是经验性的，目前国际范围内有通用的几种转子，研究工作在借鉴的基础上建立了自己的模型见图2，图3。由先进制造技术构成计算机辅助加工文件，采用计算机辅助制造技术(CAM)，利用五轴联动加工中心，最终加工出高精度的转子，如图4、图5所示。 图2曲面重建后的混炼转子?曲面 图3曲面重建后的混炼转子?曲面 图4 适用于橡胶材料转子 图5 适用于塑料材料转子 1(2高精度转矩传感系统的研制 由于转矩流变仪可以通过动力系统的输出转矩 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 征聚合物熔体的流变性，因此动力系统以及输出转矩的测量是转矩流变仪的关键技术之一。动力系统除了要满足规定的转速和转矩输出外，还需要满足转矩测量系统的要求。通常转矩由转矩传感器测量，即将转矩测量传感器串联在动力系统与功能单元之间，由转矩传感器直接输出转矩信号。这种测量方式的优点是容易实现并且对动力系统要求较低，采用一般的电机就能满足要求，缺点是测量精度受转矩传感器限制，一般不超过0.5%F.S.，另外转矩传感器是转动部件，需要维护。本项目采用了一种全新的测量方式进行转矩测量，其原理如图6所示: 图6 杠杆测力法测量转矩原理图 图中，1为动力系统转子，2为动力系统定子，3为测力杠杆，4为测力传感器。动力系统(电机及减速机)通过前后轴的轴承支架悬浮支撑，动力系统定子必定受到大小相等方向相反的反作用力矩，该力矩可通过测力传感器的输出与力臂长度的乘积得到。这种测量系统无可动部件，免维护，可靠性高。然而该系统需要对动力系统传动机构、支撑机构等进行精心设计 才能达到良好的性能，本项目通过利用proE、ADAMS及ANSYS等多种软件分别进行了转矩测量系统的加载与卸载过程仿真，并且对转矩流变仪进行了模态 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 和支撑架的静力学分析。最终确定了转矩测量系统结构参数。具体过程如下: 1) 采用Pro/E软件来进行转矩流变仪的三维实体模型的构建，并导入到机械系统动力学分析软件ADAMS。虚拟样机如图7所示。 图7 ADAMS中建立的虚拟样机模型 在模型设置完成之后，进行转矩流变仪加载卸载仿真分析，加载和卸载按图8所示曲线进行。 图8 加载卸载曲线 250 卸载数据200 加载数据 150 100 输出力矩(Nm) 50 0 255075100125150175200 输入力矩(Nm) 图9加载和卸载过程中的输出力矩和输入力矩对应关系 2)为了使机械部分设计合理，对转矩流变仪进行了模态分析和支撑架的静力学分析。转矩流变仪每个部分的主要构成如表1所示。该分析采用大型有限元分析软件ANSYS 9.0 来完成。驱动组件和支撑架的有限元模型图，分别如图10和11所示。 表1转矩流变仪构成 名称 主要包含部件 上板 支撑架 底板 两侧板 电机 驱动组件 行星齿轮减速器 支架 图10驱动组件的有限元模型 图11支撑架有限元模型 从转矩流变仪驱动组件和支撑架的模态分析表明，两者频率相差较远，在实际工作中可以避开共振区域。从支撑架的静力学分析表明，当支撑架的上板变薄时，整个支撑架的变形增大，且最大变形发生在支撑架和驱动组件的连接位置，这对传感器的测量精度带来了很大影响，因此，在设计中加厚了上板的尺寸，并且支架与上板之间进行全约束，从而避免上述不利影响。 1(3实验数据重现性分析(实验数据差别显著性分析) 由于转矩时间曲线测量是一种相对流变测量，因此在转矩测量精度温度分布合理的情况下主要考核测试结果的重现性，图12是两次PVC融合实验的重叠结果。为了评定仪器的动态性能和评价转矩曲线的显著差异，我们研制了实验数据显著性分析软件，对欲分析的时段选择后，求对应时刻的两组数据差的均值和方差，分析数据是否有显著性差异。 图12 试验结果的重现性 由图12可见，由于装载峰人工操作不可重复，而从曲线的最低转矩点起进入材料的融合反应期，同一种材料进行两次测试，曲线的重复性表示混炼器有较好的温度分布的再现性，以及较高的转矩传递精度和测量精度。由最低转矩时间起，考查每一时刻两曲线的数据差，结果统计如图13所示，可见在图12中表现的重复性很好的数据，数据差均值为0.2Nm，是仪器的准确度极限。 图13 融合曲线的重现水平 图14 实验结果有显著性差异的曲线 对应图14的三条曲线代表的实验结果有显著性的差异，利用软件分析得图15(a)(b)(c)的结果，可见显著性差别最小的两条曲线数据差均值为0.4Nm，可见仪器对0.4NM或0.2%F.S.的数据差别是能够容易的识别的。 (a) (b) (c) 图15实验结果显著性差异曲线分析图 应用混炼器评定加工助剂对PVC加工性能的影响，是转矩流变仪最典型的应用，由于转矩测量精度的提高，使其应用范围不断地扩大，特点是利用混合器进行PVC的配方研究,PVC 材料具有独特的加工特性，聚合过程中形成的多层次小球结构，需要在加工温度下实施强剪切撕开，形成大分子间缠绕的塑化状态，只有在加工中完全完成塑化过程，制品才能有良好的机械物理性能;而PVC的剪切敏感性又限制了其在挤出机中的加工时间，过度的热剪切使材料释放氯化氢降解。PVC的融合(塑化峰)，稳定性是转矩流变仪器能反映的典型特征参量。 流变仪的转矩曲线几乎能反映所有加工配合剂对PVC加工的影响，例如，我们根据ASTM 2538-00标准在某PVC干混料配方100份基础上分别加入0.05、0.08、 0.16份PE蜡作为外润滑剂，经高混后与原配方对比实验，试样重量62克，混炼器温度190?，转子转速40RPM，将4个实验结果叠加，并进行光滑处理，可有效的进行对比研究，如图16与表2。 图16 不同配方样品的流变曲线 其中1,，2,，3,，4,分别代表未加入和加入0.05，0.08，0.16份PE蜡的PVC复合料代号。 表2 PE蜡对PVC复合材料流变曲线的影响 样品 最小转矩 塑化峰 平衡转矩 塑化时间 热稳定时间 主要成分 1# 19.5 25.8 18.6 32 503 100份基础料 2# 17.6 25.1 18.4 34 555 1#样品+0.05份PE蜡 3# 17.6 24.5 18.0 40 560 1#样品+0.08份PE蜡 4# 16.9 24.1 17.9 44 582 1#样品+0.16份PE蜡 由于转矩测量有较高的分辨力，极为容易地读出0.4Nm的塑化峰转矩值的差别，进而表现出100份Upvc基础材料中0.03份外润滑剂造成的挤出抗力的改变，可以有效地指导生产，事实上在生产工艺中，由于椎形双螺杆挤出机筒长和直径都比较大，0.05份的外润滑剂表现出明显的挤出抗力变化，如果转矩流变仪分辨力不够，就可能在生产机械上反映的抗力改变在流变测量时反映不出来，不能指导生产。 2(螺杆挤出式毛细管流变仪单元 根据美国材料实验协会标准ASTM5422-00和ISO11443-1995对螺杆挤出毛细管流变仪的描述，研制了螺杆挤出型毛细管流变仪。相比于高压毛细管螺杆挤出式流变仪在测量之前对物料施加了很大的能量。对于象挤压、压延、注塑等工业操作数据的解释更直接。在这种测量中关键是要解决高温熔体压力准确测量、入口压力校正、聚合物熔体的非牛顿流体校正等问题。由转矩流变仪主机与单螺杆挤出单元、毛细管单元和称重单元组合构成螺杆挤出毛细管流变仪 2(1 大长径比毛细管的加工 毛细管的具体结构剖面图如图17和图18所示，毛细管的孔属于超细长孔，孔径1mm，孔深40mm，孔的长度与孔的直径比大，空的尺寸与表面质量要求高，采用普通的机械加工方法难以完成和保证加工要求。 图17毛细管的结构图 图18 毛细管剖面图 通过对毛细管的结构和加工精度分析，确定加工方法。采用电火花高速小孔机进行底孔加工，然后，使用低速走丝电火花线切割机进行毛细管孔加工，低速走丝电火花线切割机具 有加工精度和表面质量高的特点，表面粗糙度可以达到0.4μm。 2( 2力传感器的温度校正 熔体压力传感器的输出也是温度的函数，在一般工业应用中，温度对传感器输出的影响可以忽略，但在流变仪中该影响不能忽略，必须加以修正。实际做法是，分别在室温、100?C、200?C、300?C下测量熔体压力传感器的输出曲线，将这组曲线保存在计算机中，传感器工作时，利用该曲线组和熔体的实际温度进行二维插值，计算出传感器的输出所对应的压力。这样可以实现熔体压力传感器的温度校正。 2(3入口压力校正 入口压力校正，即Bagley校正，主要修正压力传感器测量的入口压力与毛细管真实的入口压力之间的差别。这一差别的来源如图19所示。 图19 入口压力测量误差 由于技术原因，测量毛细管入口压力的传感器不是恰好安装在毛细管的入口处，而只能安装在距离毛细管入口一定距离的过渡区内，这使得毛细管入口处的真实压力小于传感器的测量值。其原因在于三个方面，第一，熔体从过渡区进入口模时，由于熔体粘滞流动的流线在入口处收敛引起能量损失，从而造成压力下降。第二，在入口处聚合物熔体产生弹性形变，部分流动动能转化成弹性能，造成压力下降。第三，在入口处由于熔体剪切速率的剧烈增加，为达到流速的稳定分布造成的压力下降。 校正方法是将Bagley校正因子E作用到表观剪切应力上获得，该校正相当于在毛细管上施加了一段额外的长度，通常称为“末端效应”。该校正也消除了系统中一些不随模具长度变化的静态压力的影响。校正数值是剪切速率的函数，校正数据是利用两个或更多不同长度但相同直径(由此可获得相同的表观剪切速率)模具获得。在剪切速率相同时，毛细管入口 压力与长径比之间存在线性关系(即Bagley图)，如图20所示。 P * * * EL/D 图20 Bagley图 其方程为: L (1) P,C(，E)D 式中:E为Bagley校正因子(通常称为“末端效应”。其含义是在Bagley图上将压力直线外推到0值时毛细管的等效长度。)C为直线的斜率。校正剪切应力既真实应力表述如下: P , (2) ,wL4(，E)D 3)非线性校正(聚合物熔体的非牛顿流体校正) 大多数聚合物熔体并非牛顿流体，其粘度不是一个固定的数值，当剪切速率改变时，粘度也发生变化，Rabinowitsch剪切速率校正，是为了补偿聚合物的非牛顿流体行为。聚合物熔体为幂律流体，粘度以如下关系随剪切速率变化而改变的材料。 ,n,,K,(,) (3) aa 式中:为表观剪切应力，单位是Pa。 ,a ,-1为表观剪切速率，单位是s。 ,a K为材料常数通常称为粘度指数。 n为剪切敏感性也称作幂律指数，代表聚合物剪切敏感程度。牛顿流体为1，非 牛顿流体通常小于0.8。 大多数非牛顿流体至少在剪切速率变化的一定范围内，满足上述关系。幂律方程也常写成对数形式: , (4) log(,),logK，n(log,)aa 剪切敏感性在数学上可表示为 ,dlog()wn, (5) , dlog(,)a dlog(,)式中:为不同挤出速率下，真实剪切应力对数值的微分。 w ,为不同挤出速率下，表观剪切速率对数值的微分 dlog(,)a 进行非线性校正过程中，获得剪切敏感性n值是该过程的难点，因为n值的计算涉及 , 到导数计算，而实验中只能获得一组关于和的离散数据，通常根据这组离散数据难以,,wa 获得需要的n值，本项目利用三次样条插值的方法，以一组分段三次函数建立和log,a , 的解析关系，并且在插值点样条函数及其一阶和二阶导数均连续，这样就可以利用解log,a 析方法计算n值。 测量熔体粘度与剪切速率关系曲线的实际过程如图3.5所示，测量工作首先记录 图21 粘度测量过程图 在三个不同长径比模芯下，熔体流过毛细管模具的压力降和挤出量，然后将原始实验数据经粘度测量软件处理，就可以立即获得所需的结果，粘度测量原理虽然简单，但涉及的计算量巨大，只有在计算机和测量软件的支持下才能快速有效完成。从而使得利用真实粘度与剪切速率的关系曲线表征熔体流动性能具有实际的工程应用价值。 粘度谱是聚合物熔体流动性的客观反映，它不依赖于测试仪器，为此我们利用了同一种物料在相同温度下，在不同仪器上测试了粘度谱，实验方法是取适量某牌号的LDPE，挤出机三温区温度设置为120、140、160?，毛细管模头温度170?，在长径比为20:1，30:1，40:1三种模芯下，分别测量并记录螺杆转速为5、10、20、40、60、80、100和120rpm时的熔体压力和挤出量，将测量数据输入粘度处理软件，结果如图22所示: 图22某牌号LDPE粘度谱 图23是本仪器和Hakke流变仪在同样条件下对同种物料测量的结果比较，由方块点描绘的曲线是由本仪器Hapro-RM200A型流变仪测量的结果，由园点描绘的曲线是由Hakke流变仪在同样条件下对同种物料测量的结果。两者最大差别不大于7%，可见其测量结果是一致的。 图23 不同仪器上测得的粘度谱比较 2(4 典型应用 1)PE料改性 几种物料的粘度谱及剪切速率范围接近，那么它们应具有相近的加工特性。如图24中，LLDPE和LDPE不同配比共混物的加工特性可以用粘度谱进行有效的比较。可以看出LLDPE和LDPE为1:0.43配比共混时表观粘度与LLDPE几乎没有改变，比例为1:1时表现粘度有所改变。而当比例变为1:2.33时粘度谱已有显著改变。这样就可以为通过改变物料配比调控其加工性能提供客观依据。 图24 不同配比共混LLDPE和LDPE的粘度谱比较 2)阻燃电缆料加工性能评定 低烟无卤阻燃电缆料的加工性能是制约其推广应用的重要因素之一，相同的阻燃性能，机械物理性能的条件下，加工性能越好，越受电缆加工厂的欢迎，因此开发低烟无卤阻燃料 , 时，要十分注视加工性能的评定，图25是三种阻燃料的曲线比较，显然配方M1有,,, 更低的粘度，有较好的加工性能。图26是日本日立电线中国企业来访时对其两个高阻燃配方评定结果，可见配方有近似的加工性能。 图25 三种不同牌号低烟无卤阻燃电缆料的粘度特性 图26 日立电线高阻燃材料配方的粘度特性 3 拉伸流变仪 在吹膜、流延、纺丝等加工过程中，聚合物的熔体强度和临界拉伸强度是重要的参数，利用转矩流变仪和简单的附加装置可以方便地获得这些参数。测量原理及装置如图27所示: 图27 拉伸流变原理图 聚合物熔体有毛细管模具以恒定的速度挤出，模具的直径为2mm，长径比可以是30:1、10:1和1:1，挤出过程中通过熔体压力反馈调节挤出及螺杆转速，使得挤出量偏差在半小时以内不超过1%。挤出的物料经过两个缓慢加速旋转的导轮，使其受到拉伸，在拉伸过程中附加在导论上的测力装置可以测量熔体所受 拉力与拉伸线速度之间的关系曲线，该曲线称为拉伸流变曲线。 图28 拉伸流变曲线 图28给出了某牌号LDPE的拉伸流变曲线，图中熔体断裂式的拉力称为熔体强度，对应的拉 伸速度为熔体拉伸能力。在图中还可以看到，当拉力超过一定限度时，熔体虽未断裂，但拉力表现出强烈的振荡，这表明熔体已进入拉伸反应区，在实际加工过程中应避免进入这一区域。通过拉伸流变曲线可以获得丰富的熔体拉伸流动中的信息，近年来越来越受到人们的关注。 4(结论 根据转矩平衡原理研制的转矩测量系统具有0.1%F?S的准确度。可以识别试验曲线0.2%F?S的转矩差别。 应用先进制造技术研制了Roller型混炼转子、橡胶混炼转子，结合其他综合设计使混炼器具备了根据ASTM 2538-00标准进行相应项目试验的能力。相同材料相同试验条件下试验曲线差别显著性小于均值0.2Nm，达到转矩测量准确度极限。 研制的螺杆挤出毛细管流变测试单元解决了大长径比，小直径毛细管制造、压力传感器温度校正，包括入口校正、非线性校正在内的计算和数据处理软件等关键技术。具备了依据ASTM标准D 5422-00和ISO11443-1995进行热塑性材料流动性试验的能力。以低密度聚乙烯为试样进行测试，测量结果与国际领先水平的HAAKE公司转矩流变仪测试结果有很好的一致性。 随着技术的进步和应用的需求，转矩流变仪本身将不断发展和完善，在聚合物材料及制品的科研和生产领域中的应用将越来越广泛和深入。