粘度计算工具

聚合物熔体加工，是将固态聚合物珠子或芯片在室温下通过加热更有用形状的过程，这个过程通常涉及使用特定设备，将聚合物加热至熔融状态后，以便进一步使用或二次加工。

在注塑成型等加工工艺中，目标是制作出可立即使用的最终形状，而在挤出过程中，可以生产出经过一些二次精加工后可以使用的型材。

模具膨胀现象非常重要，特别是在挤出过程中，模具膨胀指的是熔融聚合物通过模具出口后的挤出膨胀程度，通常以挤出直径与模具直径的比率来描述。

模具膨胀是由于聚合物链的纠缠性质导致的，研究人员将探讨模具几何形状、实验条件以及聚合物的分子量和分子量分布等因素对模具膨胀的影响。

在挤出过程中，当聚合物从模具口挤出到空气中时，与熔体温度相比，室温下的空气温度可能无法达到真正的溶胀比B。

这可能是由于温度依赖性引起的粘弹性、冷却引起的收缩、重力下垂、径向增加引起的表面张力效应，以及流动条件不稳定等原因。

观察到在给定的挤出速率或剪切速率下，随着温度的升高模具膨胀会减少，而在给定的剪切速率下，随着模具长度的增加，深入了解这种现象对于设计和生产具有很大的实际意义。

实验材料与方法

聚乙烯是偶然发现的，为了表征这种新材料的批次间性能，人们需要测量其流量，以表征聚乙烯的流动性能。

这个方法后来被广泛运用于表征其他聚合物的流动性能，MFI测试通过在固定的施加载荷和温度下使用毛细管流变仪来测量聚合物的流动性。

MFI测试结果不能用于比较不同类别聚合物之间的流动行为，因为测试过程中使用的载荷和温度是适应特定聚合物的流变行为而调整的。

MFI测试只提供了一组处理条件，没有进一步的细节说明如何在不同条件下优化流动性能，为了克服这些限制，研究人员进行了进一步的研究。

这种方法使得MFI测试设备可以用作简单的流变仪，并构建了不同聚合物的剪切粘度与剪切速率的关系图。

高压毛细管流变仪是一种用于测试材料性能的设备，它是MFI测试设备的扩展，毛细管流变仪比MFI钻机要早诞生，最早是在1839年为研究流体而开发出来的。

到了20世纪30年代末和40年代，商用热塑性塑料的出现推动了这种流变仪的发展，它成为测量剪切粘度的主要工具。

为了准确计算剪切粘度和剪切速率的数据，需要校正方法进行修正，还会受到摩擦和压力效应引起的误差影响，通过这种方法得到的数据只是剪切粘度和剪切速率的表观值。

毛细管流变仪也可以用作挤出工艺的代表，因此对模具膨胀性质的观察对于预测生产中可能出现的问题非常有用。

除了了解模具膨胀的程度外，了解湍流不稳定边界的位置也很重要，因为在这个过渡区域以下的剪切速率代表了加工所需的物品的最大上限。

聚合物熔体

这些物品需要在给定的毛细管模具几何形状内保持光滑和光洁度，对于毛细管模具几何形状的实验性替代方法是使用扭转流变测量，该方法最早在20世纪30年代初开始应用。

在扭转流变仪中，锥体和平行板或平板几何形状可以以扭转振荡模式在一系列具有不同角频率的固定温度下使用，国际标准也对其使用进行了管理。

对于处理聚合物熔体时，一般选择直径约为25毫米的平行板几何形状，在0.5到1毫米之间留有一小间隙以容纳聚合物样品。

通过测量复剪切模量的弹性或储存模量和非弹性或损耗模量，并将其作为角频率的函数进行分析，可以获得实验数据。

采用WLF时间-温度叠加法，可以创建流变主曲线，并使用一些免费提供的流变软件对实验数据进行高精度分析。

并通过拉比诺维奇校正计算剪切速率，以解释材料的非牛顿性质，还使用标准数码相机以每秒30帧的速度采集挤出物的视频图像。

通过冷却后用卡尺测量挤出物的直径来获得B值，在毛细管测量期间，采用连续实验的方式，在每个温度的每个剪切速率下进行测量。

通过切割挤出物在模具出口处，消除重力的影响，并在固体样品下方的5个或更多点处使用游标数字卡尺在室温下测量直径，以确定溶胀比。

使用振荡流变学方法在氮气气氛下测量两种聚合物的流变行为，采用25毫米平行板几何形状，在大气压下将圆盘挤压在平行板之间，形成大约1毫米厚的间隙和较小的法向力。

进行了0.1至100 rad/s范围内的振荡测试，每十个等间距取点，应变幅度为1%，以检查动态应变扫描结果作为频率和温度的函数。

模具膨胀行为

根据单点的MFI值来看，较低分子量的PS192在低剪切速率下的粘度要低于PS350，但这些单点数据无法准确预测在温度或剪切速率变化时的流变行为。

从毛细管数据可以看出，提高温度和剪切速率会导致剪切粘度降低，还绘制了转换为剪切粘度和剪切速率的单点MFI数据，看起来稍高于预期的毛细管数据。

从稳定到不稳定挤出边界的过渡位置也不同，在较低温度下，这种转变发生在较低的剪切速率下。

毛细管流变学数据并没有直接解释模具膨胀的程度，因为通常情况下需要测量只能通过扭转流变学得到的第一个法向应力差。

实验是在等温条件下进行的，但以下方法可以作为在非等温条件下进行模具膨胀的熔体加工商的指南。

通过获取扭转流变数据并进行时温变化分析，在不同温度下生成一系列剪切粘度与剪切速率曲线，这种方法可以更准确地预测材料在不同温度和剪切速率下的流变行为。

下图是对PS192进行时间-温度叠加后，在指定温度下的复杂剪切粘度与频率的关系，绘制的曲线表示了不同聚合物的分子时间尺度，这是根据每条链的平均纠缠数Z计算得出的。

红色虚线表示回收时间τd，紫色虚线表示劳斯时间τR，蓝色虚线表示平衡时间τe，这些时间尺度通过实验确定，并用红色实线和蓝色实线标记了第一次和第二次交叉频率的位置。

蓝色实线之外的剪切粘度数据是通过方程插值得到的，研究人员展示毛细管流变学数据以及在所测温度下进行时间，温度变化扭转流变学实验所得到的数据。

下图中还绘制了方程的预测曲线，并显示了低速、中速和高速剪切下观察到的模具膨胀行为，毛细管流变学数据用黑色点表示，扭转流变数据用小点表示。

图中还显示了频率与复杂剪切粘度、存储模量和非弹性模量的关系，图中还绘制了每个温度下的Carreau/Yasuda方程的虚线。

两种聚合物的毛细管粘度和扭转粘度数据之间在较高温度下显示出非常一致的趋势，方程通过插值与扭转粘度数据非常吻合，这增加了研究人员对剪切粘度图的信心。

通过Carreau/Yasuda方程的插值预测，研究人员可以根据剪切速率生成详细的剪切粘度等温预测。

模具膨胀行为展示了熟悉的模式，即随着温度的下降和剪切速率的增加，模具膨胀也会增加，随着温度的下降和剪切速率的增加，挤出的花边似乎从稳定过渡到不稳定。

结果与讨论

根据实验结果显示，随着温度的升高，材料的弛豫时间减少，这表明其缺乏温度依赖性。从剪切粘度图中可以看出，分子量较高的PS350样品具有更高的挤出膨胀效应。

尽管差异较小，部分原因是多分散性消除了聚合物之间的差异，导致在相同剪切速率下，挤出膨胀较高。

在最高剪切速率下，出现严重熔体断裂的位置的膨胀率显著降低，部分原因是受到测试重力的影响，这显示了劳斯-魏森伯格数的叠加效应，直到达到熔体断裂的极限。

这不仅增强了通过分子量移动挤出膨胀的能力，而且即使在非等温挤出过程中，也增强了其移动能力。

还可以采用一种简单的方法来估计聚合物的挤出时间-温度超越数，而无需依赖基本理论。该方法假设第一次交叉频率是近似聚合物流变行为的回合时间。

只需从实验中获取测得的剪切速率，并将其除以第一次交叉频率的剪切速率，即可得到一个实验性的魏森伯格数。

这种方法简单易行，可以帮助预测聚合物在不同条件下的流变行为。下图是PS192样品的模具膨胀与实验魏森伯格数。

通过在剪切粘度图上标记分子转变的位置和实验确定，以及剪切粘度作为剪切速率的函数，研究人员可以预测实验中的流动性质和流量。

实验中发现，当处理速率比第一次交叉频率快约十倍时，模具膨胀再次明显增加。这表明开始出现链条取向和拉伸，使得熔体表现出更弹性的行为。

在处理速率比第一次交叉频率快十倍以上时，挤压花边的性质表现为湍流，这种现象似乎与粘度无关，研究人员可以看到剪切粘度非常接近，但模具膨胀量和性质却完全不同。

在190°C时，实验点低于时间或高于速率，这意味着链条不能完全拉伸，模具膨胀更多挤压花边不稳定。

基于振荡流变学的聚合物，挤出最佳条件预测方法是一种依赖于商业，聚苯乙烯样品的革兰氏实验室实验的方法。

通过该方法可以构建剪切粘度图与温度和剪切速率的关系图，以及主要分子时间尺度的位置，这种方法能够提供准确的流动行为理解，并作为预测熔体加工商加工行为的设计工具。

在聚合物挤出加工过程中，确定最佳加工条件是关键，传统的方法包括使用熔体流动指数和毛细管流变测量来表征聚合物的流变性质。

基于振荡流变学的聚合物挤出最佳条件预测方法是一种有效的工具，可以帮助预测聚合物挤出加工的最佳条件，并在熔体加工行为的设计中发挥重要作用。

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