对于不同流场中的常用流变参数进行归纳,可以把它们分成四类:粘性参数、弹性参数、强度参数、界面参数。常用的实验测定方法有熔融指数测定仪(MFR)、压力型毛细管流变仪、同轴圆筒流变仪、锥板流变仪、平行板流变仪、转矩流变仪、拉伸流变仪、乌氏粘度计等。
常用的粘性参数包括剪切粘度η、拉伸粘度ηe、复数粘度η*。剪切粘度η是最普遍地用来表示聚合物流变性能的一个参数。通常所说的粘度就是指剪切粘度。对于粘度较低的聚合物溶液与熔体可用同轴圆筒流变仪或乌氏粘度计测定。例如,人们常用同轴圆筒流变仪测定涂料的粘度;利用乌氏粘度计测定聚合物的粘均分子量。在聚合物加工成型时,工作对象主要是聚合物熔体,一般来说粘度比较大。一方面,不同的加工成型方法的剪切速率范围不一样;另一方面,不一样的流变仪的剪切速率的量程也不同。因此,存在着一个相互匹配的问题。
熔融指数测定仪的剪切速率较低,测得的流变性能只适用于指导模压成型。但是熔融指数测定方法简单,操作便捷快捷,仪器价格较低,因此在工业界得到了普遍应用。树脂生产厂商常用熔融指数MFI作为树脂的性能指标,间接地表示树脂分子量的大小与加工性能。塑料加工厂也常用MFI表示塑料的加工流动性能。
锥板流变仪或平行板流变仪常被用来测定聚合物熔体粘度。一般都会采用小振幅振动剪切动态模式直接测得复数粘度η*,再利用Cox-Merz定律转换成剪切粘度η。由于需用Cox-Merz定律进行转换,因此测定聚合物的对象有一定局限性。但当只需了解低剪切速率下的粘度时,能够使用锥板或平行板流变仪的稳定剪切模式,直接测定剪切粘度。此时,被测定的聚合物对象就不再受限制。锥板或平行板流变仪测定的优点是可同时得到有关弹性的数据;另一方面,动态模式测量的频率扫描范围较宽。如果要求更宽的剪切速率范围的粘度数据,能够使用时-温转换方法得到。小振幅振动流变测定方法灵敏度较高,还常被用来研究表征聚合物的大分子结构。
毛细管流变仪可直接测得聚合物剪切粘度,且剪切速率的适合使用的范围很宽,测定对象并没有限制,因此在科学研究与工业上都得到了广泛的应用。在挤出成型与注射成型时,特别是注射成型时,聚合物所受的剪切速率很高,因此只有采用毛细管流变仪才能直接测得这样高剪切速率下的粘度。
拉伸粘度ηe是表达聚合物在拉伸流场中流变性能的一个主要参数,可采用拉伸流变仪测定。拉伸流变仪是基于薄片或单丝拉伸的直接测定方法,能给出瞬态拉伸粘度值。除此以外还有一种间接测定方法,即利用毛细管流变仪中入口效应产生的拉伸流动,采用Cogswell办法来进行换算得到粘度值。
与聚合物弹性相关的参数很多,最常用的有:第一法向应力差N1、第一法向应力系数ψ1、剪切弹性模量G、松弛时间λ (或松弛时间谱iλ)、复数模量G*(G*=G′+iG″)等。
同轴圆筒流变仪、锥板流变仪与平行板流变仪都属于旋转流变仪,是测定聚合物弹性参数的常用仪器。但它们的适用对象并不一样:同轴圆筒流变仪适用于较低粘度流体,后两种可用于高粘度流体。对于含有较大固体粒子的聚合物复合流体,不应采用锥板流变仪。旋转流变仪有多种测量模式,测量方法选择余地较大。其中,小振幅剪切振动频率扫描动态模式是最常用的模式,可以同时测得聚合物的G*、G′、G″、η*等随频率的变化。采用稳态剪切模式可以方便地测得聚合物的弹性参数N1、ψ1等随剪切速率的变化,G与λ1可通过换算得到。但稳定剪切模式的剪切速率的最大值一般不超过10s-1。对于线,可通过应变模式测得。
对于弹性参数的测定,除了采用旋转流变仪外,还可考虑采用毛细管流变仪或窄缝流变仪。毛细管或窄缝流变仪测定流体弹性是通过流道壁上压力传感器采集压力数据换算得到,因此能测定很高剪切速率下的弹性数据,测量范围更广。
然而,不管是采用哪种方法,目前对于第二法向应力系数ψ2测定的准确性还存在一定问题。
与熔体流动相关的三个常用的强度参数是:熔体强度Fb、熔体破裂应力σr、熔体屈服应力σy。聚合物熔体强度Fb直接影响纺丝与吹膜工艺过程。如果Fb过低,就会造成单丝的断裂或者吹膜的失败。纺丝和吹膜都与聚合物的拉伸粘度相关。因此,熔体强度Fb与拉伸粘度ηe之间有一定的关系。聚合物熔体强度Fb常用拉丝法测定,挤出单丝能够使用毛细管流变仪联结拉伸装置来实施。
聚合物熔体破裂是口模挤出中的一种重要现象,常用熔体破裂应力σr定量表达,可由毛细管流变仪方便地测得。
聚合物熔体流动一般不存在屈服应力。但是对于很多高填充聚合物复合材料来说,一般存在屈服应力σy,只有当所施加的应力超过临界值σy时才能发生流动。如果流体的粘度不随剪切速率改变而变化,即在屈服点后呈现牛顿特性,这种流体被称为宾汉流体。对于高填充聚合物复合材料,当应力超过σy后往往表现为非牛顿行为。所以,高填充聚合物复合材料是一种广义宾汉流体。其屈服应力σy可由平行板流变仪或毛细管流变仪测得。
在聚合物流动中存在着液-固、液-液、液-气三种界面。液-气界面上的法向应力等于环境气压,剪切应力一般可忽略不计。液-固界面指模腔内壁与聚合物流体间存在的界面。通常,为了简化起见,假设界面上流体是静止的,即采用无滑动边界条件。实际上,在某些条件下界面上的流体会发生滑动,对聚合物加工成型带来特别大的影响。为了定量地表达这类液-固界面条件,常采用滑壁速度uw这一流变参数。滑壁速度uw可由毛细管流变仪测得。液-液界面存在于多层挤出、多组分注塑、聚合物共混等场合。例如,在两组分聚合物进行共混或双层挤出时,两组分间的界面性质直接影响流体的粘弹性能与流场参数,进而影响聚合物材料的相结构。在液-液界面参数中,聚合物熔体界面张力Γ的大小最受人们的关注。