转矩流变仪在聚合物加工中的应用

1、引   言

转矩流变仪、积木式流变测量仪，通过记录物料在混合过程中对转子或螺杆产生的反扭矩以及温度随时间的变化，可研究物料在加工过程中的分散性能、流动行为及结构变化(交联、热稳定性等)，同时也可作为生产质量控制的有效手段。由于转矩流变仪与实际生产设备(密炼机、挤出机等)结构类似，且物料用量少，所以可在实验室中模拟混炼、挤出等过程，特别适于生产配方和工艺条件的优选。对聚合物的加工有很重要的意义。

2、转矩流变仪的基本结构

哈克转矩流变仪的基本结构可分为三部分：微机控制系统，用于实验参数的设置及实验结果的显示；机电驱动系统，用于控制实验温度转子速度、压力，并可记录温度、压力和转矩随时间的变化；可更换的实验部件，一般根据需要配备密闭式混合器或螺杆挤出器。

密闭式混合器相当于一个小型的密炼机，由一个“∞"字型的可拆卸混合室和一对以不同转速、相向旋转的转子组成。在混合室内，转子相向旋转，对物料施加剪切，使物料在混合室内被强制混合；两个转子的速度不同，在其间隙中发生分散性混合。通常有四种不同类型的转子：轧辊转子、凸轮转子、班布里转子和西哥玛转子。螺杆挤出器相当于一个小型的挤出机，可配备不同的螺杆和口模，以适应不同类型材料的测试研究。通过测量扭矩、温度及观察物料外观，可直观地了解转速、温度、时间等对物料性能的影响，优化物料的加工工艺条件。

3、转矩流变仪的应用

   随着人们对转矩流变仪应用研究的深入和功能的拓展，它已成为聚合物加工及实验流变学中的重要工具，可广泛用于原材料、生产工艺的研究、开发与产品质量控制等领域。

3.1 聚合物流变性能的研究

为将转矩流变仪的输入(转速)、输出(转矩、温度)与物料的流变性能联系起来，流变学家们建立了一系列的数学关系式，从中可以计算出平衡扭矩及转矩流变仪中的流场分布等聚合物的流变性能。

3.2 原材料的检验

(1)同种聚合物具有不同结构的比较。同种聚合物由于分子链结构不同如线性、带长支链和短支链的聚合物、嵌段结构和无规共聚结构、多组分共聚物不同含量等引起流变性能的改变，这反应在哈克扭矩流变仪上则表现为扭矩的变化，根据扭矩的差异可以判断聚合物的结构差异。例如：利用转矩流变仪可以比较三种不同结构聚乙烯(高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、低密度聚乙烯)，还可以区分天然橡胶的不同产地等等。

(2)不同类型稳定剂的研究。利用转矩流变仪可研究不同用量、不同类型稳定剂对聚合物加工性能的影响，从而为选择稳定剂种类、确定最佳用量提供依据。

3.3 加工过程分析

(1)典型转矩曲线。图1是热塑性塑料在密闭式混合器中的三种典型转矩曲线，图中各点的含义列于表1中。

(2)聚合物接枝反应研究。转矩曲线可以研究聚合物的接枝反应，通过扭矩随时间的变化可以看出接枝反应发生与否、反应在何时开始、何时结束、反应物的用量、反应的合适温度等因素，从而可以确定反应的适宜加工条件和较好的配方，为进一步的产业化打下基础。

(3)聚合物交联过程的研究。转矩曲线可用来研究聚合物的交联反应如橡胶的硫化、热固性塑料的固化及热塑性塑料的交联等，以及交联剂类型与用量等因素对交联反应的影响。

聚合物发生交联反应时，其分子链由线性结构转变为三维网状结构，体系的粘度上升，转矩随之增大，因此可采用转矩曲线出现上升作为交联反应开始的标志。此外，转矩上升的速率可以反应交联速率的快慢。

表1 典型转矩曲线中各特征点的说明

  (4)聚合物反应共混的研究。转矩曲线可以研究聚合物的反应共混，通过扭矩随时间的变化曲线看出两种聚合物是否发生化学反应、反应在何时开始、何时结束、聚合物的投料比、反应的合适温度等因素，从而可以确定两种聚合物反应共混的适宜加工条件和较好的配比，为得到高性能的复合材料打下基础。

(5)橡胶塑炼过程的模拟。橡胶的分子量较高，在加工之前通常需要进行塑炼，以降低胶料的门尼粘度。利用转矩流变仪可模拟橡胶的塑炼过程并对其影响因素进行研究。

(6)PVC凝胶化过程的分析。PVC 的凝胶化是指在流场力与热的作用下，树脂被逐步熔融塑化，而后再结晶，形成三维空间网络结构的过程。在PVC 凝胶化过程中，包含着各层次粒子的破碎、粒子边界的消失、晶体融化、再结晶成为大分子空间网络、缠结等一系列复杂的物理化学变化。通过转矩流变曲线可以分析粉碎的过程，并建立粉碎机理模型。

3.4生产工艺优化与产品质量控制

(1)加工时间的确定。通过转矩流变曲线可以知道聚合物全部熔融的时间和聚合物分解的时间，从而可以 确定聚合物的合适加工时间。

(2)加工温度的选择。通过不同加工温度时转矩流变曲线的分析，可以选择聚合物合理的加工温度。

(3)加工转速的选择。改变转子的转速，即改变了剪切作用力，导致对聚合物性能的影响。通过研究转速对聚合物流变曲线的影响，可以选出较为适合的加工转速。

(4)加料顺序对混炼过程能量消耗的影响。利用转矩流变仪可研究不同加料顺序对混炼过程能量消耗的影响，为降低能耗、优化加工工艺提供依据。

(5)混炼胶的质量控制。在橡胶加工过程中，混炼胶的质量控制是非常重要的环节。由于混炼过程中胶料的流动行为极为复杂，影响混炼质量的因素众多，为保证不同批次物料的混炼程序相同，通常采用比机械能或混炼过程消耗的总能量来控制混炼效果。因此，采用转矩流变仪可以非常容易获得所需的数据。

4 结 语

转矩流变仪在聚合物加工中有着非常重要的作用，是聚合物加工和实验流变学中的重要工具，可广泛用于的流变性能研究、原材料、生产工艺、产品开发、配方优化与产品控制等领域。在实验室建设中，更好地开拓和发展其应用是很有意义的。