毛细管流变仪的工作原理简介

本小节介绍毛细管流变仪工作原理，包括毛细管流变仪的基本构造、毛细管流变仪测量原理两部分。

(1)毛细管流变仪的基本构造

毛细管流变仪的基本构造如图8.2.1所示。毛细管流变仪料筒周围为恒温加热套，内有电热丝，料筒内物料的上部为液压驱动的柱塞。毛细管流变仪的核心部分为一套精致的毛细管，具有不同的长径比L/D，通常L/D＝10/1，20/1，30/1，40/1等。

图8.2.1给出毛细管流变仪框架和压力传感器安装示意图。在柱塞高压作用下，经高温加热物料变为熔体被强迫从毛细管挤出，压力传感器自动测量物料的黏性。毛细管流变仪还配有高档次的调速、测力和控温等机构，自动记录和数据处理系统，有定型的或自行设计的计算机控制、运算和绘图软件，操作运用便捷。

图8.2.1 毛细管流变仪框架和压力传感器安装示意图^[4]

(2)毛细管流变仪测量原理

根据测量原理的不同，毛细管流变仪又分为恒速型和恒压型两类。恒速型仪器预置柱塞下压速度为恒定，待测定的量为毛细管两端的压差。恒压型仪器预置柱塞前进压力为恒定，测量物料的挤出速度（流量）。

塑料行业中经常使用的熔融指数仪为一种恒压型毛细管流变仪。在柱塞上预置一定的重量（压力），在规定温度下、规定时间内，测量流过毛细管物料的流量。以此来比较物料相对分子量的大小，判断其适用于何种成型加工工艺。通常流量大，物料熔融指数高，说明其相对分子量小，此类物料多适于注塑成型工艺。流量小，熔融指数低，说明其相对分子量大，此类物料多适于挤出成型工艺。(www.xing528.com)

Macosko^[4]形象地给出毛细管流变仪流体流动示意图8.2.2。

由此图可见，在整根毛细管中，聚合物熔体流动分为入口流动区、完全发展流动区、出口流动区等三个流动区域。物料从直径较宽的料筒，经挤压通过有一定入口角的入口区进入毛细管，然后从出口挤出，其流动状况发生巨大的变化。入口附近有明显的流线收敛行为，它将影响到物料刚刚进入毛细管区的流动，使得流入毛细管一段距离后，才能发展成稳定的流线平行的层流。在出口附近，管壁约束突然消失，弹性液体表现出挤出胀大，流线又随之发生变化。

图8.2.2 毛细管内流体流动示意图^[4]

完全发展流动区是毛细管流道最重要的一个区域。在流线平行的完全发展区测量物料的黏度。测黏流动是指流场中每一流体微团均承受常剪切速率的简单剪切变形，只有测黏流动才能测出客观有实际价值的物料黏性。

按照定义，流体黏度等于流体微团承受的剪切应力除以剪切速率。这一定义对牛顿型液体的常数黏度和非牛顿型液体的表观黏度均成立。特别需要说明：

① 定义中所说的剪切应力和剪切速率都必须是针对同一个流体微团测量的，否则没有意义；

② 实际上剪切应力和剪切速率都不能直接测量，必须通过设计和分析实验，从一些可直接测量的物理量求得剪切应力和剪切速率，从而求得黏度。