流变测量原理与分类

由于流变学理论和工程技术的巨大进步，一大批价格昂贵构造复杂的流变仪得到推广应用，开发出若干多功能、高精度使用方便的流变仪计算软件与之配合，方便了测量。流变测量的原理是大致相同的。

本小节介绍流变测量的原理和分类，包括流变仪性能的测量原理、常用的流变测量仪器的类型、流变测量的分类3部分。

常用的毛细管流变仪、旋转流变仪、转矩流变仪和振荡流变仪等所有聚合物材料流变性能测试仪器的工作原理都基于牛顿的著名实验内摩擦定律。首先复习3.1节的相关内容。1687年，牛顿做了著名的实验，得到牛顿黏性公式。将牛顿黏性公式扩展后，得到广义牛顿内摩擦定律。对于不可压缩流体的速度散度为零divu＝0，得到全面反映各向同性的牛顿流体应力与应变速度关系的本构方程(3.1.28b)，为

T＝－pI+2με

在直角坐标系中，本构方程的展开式，即三维流体运动时剪切应力(3.1.25)和法向应力(3.1.27b)，分别为

应力张量和变形速度张量之间的关系满足牛顿定律的流体称为牛顿流体，否则称为非牛顿流体。

设计流变仪时，使用了广义牛顿定律、黏性流体流动的控制方程。流变性能测试仪器测量物料黏度时，物料流速缓慢，因此流体流动的雷诺数较小。流变性能测试仪器的工作原理基于以下基本假设：

① 聚合物熔体或流体是不可压缩均质的连续介质；

② 仪器内熔体或流体流动是小雷诺数的层流；

③ 仪器壁面无滑移。

根据以上假设，可以用黏性流体流动的理论和连续性方程、运动方程和能量方程等控制方程，深入分析流变仪中熔体或流体的流动形式和计算流体流动的流场。图8.1.1 (a)至(e)汇总了测量物料流变性能的5种结构形式，图中给出这些结构流道内流体流动形式。

① 两个平板间的流体流动如图8.1.1 (a)所示，下板固定不动，上板移动，在两块板之间，流体一层一层的层流。可以形象的说，流动类似于一叠卡片中各张卡片相互位移。在平板涂膜工艺中，上面固定的刮刀类似于上板，油漆或胶粘剂等涂料被强制在板与刮刀间的狭缝流道以层流的方式流动。

② 在两同轴圆柱环隙流道流体流动如图8.1.1 (b)所示，两个圆柱筒一个固定，另一个转动。在两个圆柱同轴环隙空间中，流体流动是各同心液层的位移。在同轴圆筒测量头系统的旋转黏度计中，流体流动类似于这种情况。

③ 通过软管、管子或毛细管的流体流动如图8.1.1 (c)所示。以毛细管为例，毛细管出入口的压力差使流体流动，截面上流动速率分布曲线呈抛物线型，这种流动形成套管式叠加位移，管状液层一个滑过一个。管壁处流速为零，流体速度只是径向分布，管壁处物料剪切速率最大，因此毛细管流变仪测试物料的表观剪切速率。有一种狭缝毛细管，其截面是矩形通道，通道的宽度大于深度，以减少侧壁的作用。

图8.1.1 测量物料流变性能流体的流动形式^[2,3]

(a)两个平行平板 (b)两圆柱同轴环隙 (c)毛细圆管 (d)锥—板 (e)两平行圆板

④ 在锥-板型与两平行圆板型的流体流动分别如图8.1.1(d)和(e)所示，其中下板固定，锥形转子或另外一块板旋转。流体相当在锥-板或两平行圆板之间运动，转动的转子或板带着流体转动，转动的流体使流体相对于附近的流体位移一个小角度。旋转黏度计、转子型流变仪的测量头系统间隙流道样品产生这样的流动。

下面介绍常用流变测量仪器的大致类型和流变测量的分类。(www.xing528.com)

(1)常用流变测量仪器

① 毛细管型流变仪。根据测量原理不同又可分为测压力的恒速型和测流速的恒压型两种。通常的高压毛细管流变仪多为恒速型，塑料工业中常用的熔融指数仪属恒压型毛细管流变仪的一种。

② 转子型流变仪。根据转子几何构造的不同又分为锥-板型、两平行圆板型、同轴圆筒型等。橡胶工业中常用的门尼黏度计是一种改造的转子型流变仪。

③ 混炼机型转矩流变仪。实际上是一种组合式转矩测量仪。它带有一种小型密炼器和小型螺杆挤出机及各种口模。优点在于其测量过程与实际加工过程相仿，测量结果更具工程意义。常见的有Brabender公司和Haake公司生产的塑性计。

④ 振荡型流变仪。用于测量小振幅的聚合物材料的动态力学性能，其结构同转子型流变仪。只是通过改造控制系统，使其转子不是沿一个方向旋转，而是作小振幅的正弦振荡。Weissenberg流变仪属于此类。

各种测试仪器和方法各有其优缺点与适用范围，可互相补充。本章将介绍分析各种流变仪的工作原理和使用的基本原则。

(2)流变测量的分类

流变测量的分类有两种，一种是按运动的时间依赖性来分类，另外一种是按照流体运动的形式分类。

① 按运动的时间依赖性来分类。根据物料的变形历史，即按运动的时间依赖性来分类，流变测量实验可分为3种类型。

稳态流变实验：实验中物料内部的剪切速率场、压力场和温度场恒为常数，不随时间变化。

动态流变实验：实验中物料内部的应力和应变场均发生交替变化，一般要求振幅要小，变化是正弦规律的。

瞬态流变实验：实验中物料内部的应力或应变发生阶跃变化，即相当于一个突然的起始流动或终止流动。此类实验用于测量材料的多种力学性质。

上述测量方式实际上是流变仪具体的测量模式，不同的模式得到不同类型的数据。不同类型流变数据反映了物料流动过程内部不同层次结构的变化。

② 按照物料的流动形式分类。根据仪器中物料的流动形式来分类，按照习惯的约定：1代表流动的方向，2代表速度梯度的方向，3代表中性方向，分为两类。

剪切流场测量：即1和2方向互相垂直。

拉伸流场测量：即1和2方向是平行的。

目前，剪切流场的实验研究得很透彻，测量仪器已基本定型。在第6章简单截面流道聚合物流体流动分析的基础上，介绍聚合物流变测量的基本原理和各种流变仪。本章重点介绍流变仪的基本工作原理，直接用第6章简单截面流道聚合物流体流动分析的数学公式和结果，分析测试仪器流道熔体流动。