流变仪测量的基本原理及应用

在聚合物加工成型过程中，半成品或成品表面出现“橘子皮”和“鲨鱼皮”，出现波浪、竹节等直径有规律的脉动、螺旋形畸变甚至支离破碎等现象，这些熔体破裂和不稳定流动现象与熔体黏弹性有关。在聚合物工程研究的早期，大多使用实验的方法研究聚合物材料的流变行为，在加工设备上开可视的视窗，观察和记录物料的流动情况。2006年，Elkouss等^[1]用相同实验方法和仪器，测量停留时间和停留体积分布(Residence Distributions，RxD)，实验发现黏度相同的两种材料确有不同的RxD，而黏度不同的两种材料确有相同的RxD，发现材料的黏弹性影响加工过程材料的流变行为，最终影响产品的质量。聚合物流变性能与加工成型关系的研究证明了这一点。由此可见，全面了解聚合物加工成型过程中熔体流变性能是十分重要的。

由于聚合物工程的需求推动了流变测量的方法和仪器日臻完善。流变测量学成为流变学的一个重要活跃的分支。流变测量学作为一门实验科学，正确地实施科学有价值的定量测定无疑对理论发展和正确描述实验事实均具有重要的意义。由于聚合物材料复杂的流动行为，使流变测量不仅在实验技术上，而且在测量理论本身都有许多值得研究的课题。在测量理论上，要建立不可直接测量的流变量（剪切速率、剪切应力、黏度、法向应力差系数）与可测量的物理量（流量、压力差、转速、转矩）之间恰当的数学关系。设计实验以保证测量的信息正确地可靠地反映材料在流动过程中黏弹性质的变化。在测量技术上，要跨越几个乃至十几个数量级变化范围内，准确地测量这些物理量的变化，正确地分析测量误差并加以校正。这些是流变测量学的任务。本书仅介绍流变仪原理的基本知识和如何选择和使用流变测量的仪器。

在选定加工成型设备后，制定聚合物加工工艺条件前，必须测试被加工聚合物材料的流变性能，确定该材料的本构方程。因为每种流变测试仪器都有一定的测试范围，流变仪错误的使用直接导致测试的数据有问题。若测试物料流变数据的剪切速率范围不够，得到聚合物熔体或流体的本构方程是线性，不可能全面的描述聚合物材料的流变性能。科学技术人员学习测量流变学的基本知识，学会选择流变仪，正确的使用流变仪非常重要。(www.xing528.com)

黏性流体动力学是流变测量学的理论基础。用于测定物料黏度的流动称为测黏流动(Viscometric flow)。本章介绍测黏流动将全面应用前面章节的知识，建议读者全面复习第2章至第6章的相关内容。本章将从不同流变仪的测黏流动出发，运用黏性流体运动的控制方程和本构模型，分析在流变仪中物料的流场，介绍流变测量仪的基本原理和应用^[2-16]。重点介绍毛细管流变仪的工作原理，简要介绍锥-板型转子流变仪、落球式粘度计的测量原理、混炼机型转矩流变仪的原理等其他类型的流变仪，介绍流变测量仪选择和使用的原则。最后用工程典型的实例，介绍如何修正测试流变数据，确立本构方程的参数，建立聚合物流体本构方程。

本章介绍流变仪测量的基本原理及其应用，分为4节，包括流变测量学导论、毛细管流变仪、其他类型流变仪的测量原理、流变测量仪的选择使用和数据处理。