高分子材料加工工程专业实验教程

前言高分子材料加工工程专业实验教程是根据教育部高分子材料加工工程本科专业实验教学大纲, 在本校原塑料工程实验讲义基础上进行修改和编写本教程共分 6 章 : 第 1 章介绍高分子材料加工工程专业实验基础知识, 第 2 章介绍高分子材料成型工艺性能 ( 水分密度塑化性能热塑性塑料熔体流动性能热固性塑料流动性能 ) 测定 8 个实验, 第 3 章介绍高分子材料和制品性能 ( 力学性能热性能电性能燃烧性能光学性能渗透性能 ) 测定 23 个实验, 第 4 章介绍高分子材料成型加工 ( 模压成型挤出成型注塑成型中空吹塑成型泡沫塑料成型热成型塑性溶胶制备及搪塑成型中空纤维成型 )16 个实验, 第 5 章介绍注塑机和挤出机特性分析 9 个实验, 第 6 章介绍塑料注射模具组装实验, 共计 57 个实验本教程实验涉及高分子材料加工工程中原材料成型加工成型制品成型设备及模具诸方面, 包括性能检测规范操作设备控制和工艺技术等实际操作能力的综合训练内容, 性能测试条件操作方法和数据处理均参照执行相应的国家标准, 加工实验实施性强操作规范, 除了用作高等学校高分子材料加工工程专业高分子材料与工程专业实验教材外, 还可供从事高分子材料和高分子材料制品生产应用研究开发的工程技术人员参考本教程第 1 章第 4 章 ( 除 4.2.2 4.5.1 和 4. 8 实验外 ) 由四川大学吴智华编写, 第 2 章第 3 章第 3 节由四川大学阮文红编写, 第 3 章第 1 节 1~4 实验部分和第 3 章第 4 节由四川大学陈军编写, 第 3 章第 1 节 5~8 实验部分由四川大学张卫勤编写, 第 3 章第 2 5 6 节由四川大学杨其编写, 第 4 章中第 2 节第 2 个实验第 5 节第 1 个实验和第 8 节由四川大学何成生编写, 第 5 章和第 6 章由四川大学严正编写本教程由吴智华主编主审本教程在编写过程中得到了中国化工出版社龚浏澄主编本学院黄锐教授万昌秀教授塑料专业实验室各位老师以及学院领导的关心和支持, 谨此致谢因水平有限, 教程内容中有不妥或错漏之处, 敬请批评指正编者 2004 年 2 月 3

高分子材料加工工程专业实验教程前言...3 第一章高分子材料加工工程专业实验基础知识...7 1.1 原材料特性...7 1.1.1 塑料特性... 7 1.1.2 化学药品特性... 10 1.2 试样制备...11 1.2.1 直接从塑料制品上截取试样... 11 1.2.2 直接从树脂取样... 11 1.2.3 直接注塑成型标准试样... 14 1.2.4 间接从压制板材上切取试样... 15 1.3 数据处理...18 1.3.1 测量误差... 18 1.3.2 近似数... 18 1.3.3 数据分析... 19 1.4 影响实验结果的因素...20 1.4.1 原材料因素... 20 1.4.2 制样因素... 21 1.4.3 测试条件... 21 1.5 安全知识...22 1.5.1 现场人员意外受到危险化学品伤害和玻璃划伤... 22 1.5.2 火灾及火伤... 22 1.5.3 爆炸... 22 第二章高分子材料成型工艺性能测试...23 2.1 水分...23 2.2 密度...26 2.2.1 材料密度... 26 2.2.2 堆砌密度... 29 2.3 塑化性能 ( 转矩流变仪 )...31 2.4 热塑性塑料熔体流动性...33 2.4.1 熔体流变曲线... 33 2.4.2 熔体流动速率... 38 2.5 热固性塑料流动性...40 第三章高分子材料性能测试...43 3.1 力学性能...43 3.1.1 拉伸实验... 43 3.1.2 压缩实验... 49 3.1.3 弯曲实验... 51 3.1.4 冲击实验... 54 3.1.5 硬度实验... 66 3.1.5.1 邵氏硬度实验...66 4

3.1.5.2 球压痕硬度实验...68 3.1.6 剪切强度实验... 70 3.1.7 直角撕裂强度实验... 72 3.1.8 拉伸蠕变实验... 73 3.2 热性能...76 3.2.1 热导率测定... 76 3.2.2 线膨胀系数测定... 79 3.2.3 维卡软化点测定... 82 3.2.4 热变形温度测定... 83 3.3 电性能...86 3.3.1 击穿强度和耐电压实验... 86 3.3.2 介电系数和介电损耗角正切测定... 90 3.3.3 体积电阻系数和表面电阻系数测定... 93 3.4 燃烧性能...98 3.4.1 氧指数测定... 98 3.4.2 水平燃烧和垂直燃烧实验... 104 3.4.3 烟密度测定... 111 3.5 光学性能...114 3.5.1 热台偏光显微观察聚合物结晶形态... 114 3.5.2 透光率和雾度测定... 117 3.5.3 色泽测定... 119 3.6 渗透性能...122 3.6.1 透气性测定... 122 3.6.2 水蒸汽渗透率测定 ( 杯式法 )... 126 第四章高分子材料成型加工实验...129 4.1 模压成型实验...129 4.1.1 热塑性塑料模压成型... 129 4.1.2 热固性塑料模压成型... 133 4.2 挤出成型实验...136 4.2.1 普通聚乙烯管材... 136 4.2.2 医用高分子导管的成型及性能测试... 139 4.2.3 异型材... 143 4.2.4 单丝... 146 4.3 注塑成型实验...148 4.3.1 注射机操作技能实验... 148 4.3.2 标准测试试样... 153 4.3.3 精密制品... 157 4.4 中空吹塑成型实验...159 4.4.1 中空容器... 159 4.4.2 吹塑薄膜... 162 4.5 泡沫塑料成型实验...165 4.5.1 医用聚氨酯泡沫... 165 4.5.2 聚乙烯泡沫... 172 4.6 热成型实验...177 5

4.7 塑性溶胶制备及搪塑成型实验...180 4.8 聚醚砜中空纤维的制备及性能测试...185 第五章高分子材料成型加工设备剖析实验...190 5.1 注射机实验...190 5.1.1 注射充模流动模型实验... 190 5.1.2 注射机注射特性参数测定... 192 5.1.3 注射机塑化特性参数测定... 195 5.1.4 注射机锁模力测定... 198 5.1.5 注射模具型腔压力测定... 206 5.1.6 注射模具温度分布测定... 209 5.2 挤出机实验...212 5.2.1 挤出机转速 - 产量 - 功率测定... 212 5.2.2 挤出机口模特性曲线测定... 214 5.2.3 挤出机螺杆特性曲线测定... 215 第六章高分子材料成型模具组装实验...217 附表 1...219 附表 2...220 附表 3...221 塑料及树脂缩写代码... 错误! 未定义书签 6

第一章高分子材料加工工程专业实验基础知识 1.1 原材料特性高分子材料加工工程专业实验所涉及的主要原材料为塑料及一些化学药品化学药品包括塑料添加剂, 粘合剂, 有机无机溶剂和化学反应试剂在进行实验之前, 应了解所用的原材料特性, 以正确拟定实验条件, 避免操作错误, 保证实验顺利安全地进行完成 1.1.1 塑料特性塑料属有机高分子材料塑料特性是塑料微观结构的反映, 由于塑料结构随合成方法合成工艺以及塑料添加剂品种和用量变化, 故塑料特性因塑料品种牌号而异一般而言, 与金属和无机材料相比, 塑料具有易燃绝热无毒耐腐蚀耐溶剂延展性和加工性好等特点表 1.1-1 至表 1.1-6 分别列出了部分塑料的化学键能热性能电性能燃烧性耐溶剂性和吸水性能指标表 1.1-1 塑料中一些主键的键长和离解能化学键键长 /R 离解能 /kj mol -1 O-O 1.32 146.7 Si-Si 2.35 178.5 S-S 1.9-2.1 268.2 C-N 1.47 305.9 C-Cl 1.77 339.4 C-C 1.54 347.8 C-O 1.46 360.3 化学键键长 /R 离解能 / kj mol -1 N-H 1.01 389.7 C-H 1.10 414.8 C-F 1.32-1.39 431.6-515.4 O-H 0.96 465.1 C=C 1.34 611.7 C=O 1.21 750.0 C C 1.15 892.5 表 1.1-2 部分塑料的热性能塑料品种线膨胀系数热比容热导率 90 天以上的使用温度 /10-5 K -1 /kj (kg K) -1 /W (mk) -1 / 聚甲基丙烯酸甲酯 4.5 1.39 0.19 120-130 聚苯乙烯 6-8 1.20 0.16 <80 聚氨基甲酸酯 10-20 1.76 0.31 聚氯乙烯 ( 未增塑 ) 5-18.5 1.05 0.16 89-90 聚氯乙烯 ( 含增塑剂 35%) 7-25 - 0.15 60-70 低密度聚乙烯 13-20 1.90 0.35 70 高密度聚乙烯 11-13 2.31 0.44 80 聚丙烯 6-10 1.93 0.24 100-120 共聚甲醛 10 1.47 0.23 100 7

聚酰胺 6 6 1.60 0.31 >150 聚酰胺 66 9 1.70 0.25 >160 聚对苯二甲酸乙二酯 - 1.01 0.14 120 聚四氟乙烯 10 1.05 0.27 >250 聚三氟氯乙烯 5 0.92 0.14 >200 环氧树脂 6 1.05 0.17 95-100 氯丁橡胶 24 1.70 0.21 - 天然橡胶 - 1.92 0.18 - 氟碳弹性体 16 1.66 0.23 - 聚酯弹性体 17-21 - - - 聚异丁烯 - 1.95-88 聚醚砜 5.5 1.12 0.18 - 聚碳酸酯 120 ABS 90 酚醛 200 聚酰亚胺 320-370 聚苯醚 190 聚硅烷 320 60Hz 10 表 1.1-3 部分塑料的电性能塑料品种体积电阻率介电强度介电常数功率因素 /Ω m (3.2mm 样品 ) 6 Hz 60Hz 10 6 Hz /kv cm -1 聚四氟乙烯低密度聚乙烯聚苯乙烯聚丙烯聚甲基丙烯酸甲酯硬聚氯乙烯 1 软聚氯乙烯聚酰胺 66 2 聚碳酸酯 3 酚醛 3 脲醛聚醚醚酮 >10 20 10 20 10 20 >10 19 10 16 10 17 10 15 10 15 10 18 10 13 10 14 >10 15 180 180 240 320 140 240 280 145 160 100 120 513 2.1 2.3 2.55 2.15 3.7 3.2 6.9 4.0 3.17 5.0-9.0 4.0 2.18 2.1 2.3 2.55 2.15 3.0 2.9 3.6 3.4 2.96 5.0 4.5 - <0.0003 <0.0003 <0.0003 0.0008 0.06 0.013 0.082 0.014 0.0009 0.08 0.04 - <0.0003 <0.0003 <0.0003 0.0004 0.02 0.016 0.089 0.04 0.01 0.04 0.3 0.017 1 59% 聚氯乙烯树脂,30% 邻苯二甲酸二 (2- 乙基己 ) 酯,5% 填料,6% 稳定剂 2 含水 0.2% 3 普遍用于压塑表 1.1-4 部分塑料的极限氧指数聚甲醛 0.16 聚甲基丙烯酸甲酯 0.17 聚丙烯 0.17 聚乙烯 0.17 8

聚苯乙烯环氧树脂聚碳酸酯聚氯乙烯聚砜聚偏二氯乙烯聚四氟乙烯 0.18 0.20 0.27 0.47 0.44~0.53 0.60 0.95 表 1.1-5 室温下部分塑料耐溶剂的性能溶剂低密度聚聚丙高密硬质聚氯聚甲基丙尼龙聚碳聚酯聚苯乙烯乙烯烯度聚乙烯烯酸甲酯酸酯乙烯浓盐酸差差差差差差差差一般浓硝酸差差差差差差差差差浓过氯酸差差差差差差差差差浓硫酸差差差差差差差差良氢氟酸一般良良差一般差差差良常用的碱优良优良优良优良优良差差一般优良常用的盐优良优良优良优良优良一般优良一般优良烷烃溶胀溶胀溶胀溶胀优良优良优良一般一般芳烃溶胀溶胀溶胀溶胀溶胀优良溶胀一般溶胀醇类优良优良优良优良少量溶解一般良一般良醛类一般良良良溶胀良良良良酮类优良优良优良溶胀溶胀良溶胀一般良醚类优良优良优良溶胀溶胀良溶胀良良有机酸优良优良优良优良优良良优良优良优良四氢呋喃一般良良良溶胀溶解溶胀溶胀一般酯类少量溶解优良优良少量溶解溶解良溶解溶解少量溶解苯酚一般良良一般溶解溶解溶解溶胀一般卤化烷烃溶胀溶胀溶胀优良溶解良溶解溶胀少量溶解硝基苯良良良良溶胀溶胀溶胀溶胀一般硅油溶胀一般一般一般溶胀优良良良一般机油溶胀一般优良优良优良优良优良优良一般二硫化碳少量溶解一般一般一般溶胀溶胀溶胀溶胀一般汽油溶胀溶胀溶胀优良优良优良优良优良溶胀植物油优良优良优良优良溶胀优良优良优良优良表 1.1-6 部分塑料的吸水率塑料吸水率 /% 塑料吸水率 /% 氟塑料高密度聚乙烯乙丙嵌段共聚物聚丙烯聚苯氧 0.00 0.01 0.01 0.01 0.13 聚苯乙烯聚苯醚环氧树脂聚硅烷酚醛 0.03 0.05 0.10 0.11 0.60 9

聚碳酸酯 0.14 0.21 0.21 0.28 0.34 0.50 聚氨酯聚酰胺醋酸纤维素离子型聚合物聚氯乙烯 0.75 1.45 3.85 0.30 0.40 聚砜聚甲醛丙烯酸系树脂 ABS 聚酯 1.1.2 化学药品特性化学药品可分为普通化学药品和危险化学药品普通化学药品无毒无腐蚀性对热光及氧稳定, 对环境污染小常见的普通化学药品有邻苯二甲酸酯系列增塑剂, 部分磷酸酯, 聚烯烃蜡类润滑剂, 氧化锌二氧化钛碳酸钙等无机填料危险化学品根据国家标准 GB13690-92, 按其主要危险特性分类, 常用危险化学品分为下列 8 类 : 1. 爆炸品系指在外界作用下 ( 如受热受压撞击等 ), 能发生剧烈的化学反应, 瞬时产生大量的气体和热量, 使周围压力急骤上升, 发生爆炸, 对周围环境造成破坏的物品, 也包括无整体爆炸危险, 但具有燃烧抛射及较小爆炸危险的物品 2. 压缩气体和液化气体 3. 易燃液体系指易燃的液体液体混合物或含有固体物质的液体, 但不包括由于其危险特性已列入其他类别的液体其闭杯实验闪点等于或低于 61 4. 易燃固体自燃物品和遇湿易燃物品易燃固体系指燃点低, 对热撞击摩擦敏感, 易被外部火源点燃, 燃烧迅速, 并可能散发出有毒烟雾或有毒气体的固体, 但不包括已列入爆炸品的物品自燃物品系指自燃点低, 在空气中易发生氧化反应, 放出热量, 而自行燃烧的物品遇湿易燃物品系指遇水或受潮时, 发生剧烈化学反应, 放出大量的易燃气体和热量的物品有的不需明火, 即能燃烧或爆炸 5. 氧化剂和有机过氧化物氧化剂系指处于高氧化态, 具有强氧化性, 易分解并放出氧和热量的物质包括含有过氧基的无机物, 其本身不定燃烧, 但能导致可燃物的燃烧, 与松软的粉末状可燃物能组成爆炸性混合物, 对热震动或摩擦较敏感有机过氧化物系指分子组成中含有过氧基的有机物, 其本身易燃易爆, 极易分解, 对热震动或摩擦极为敏感 6. 有毒品系指进入肌体后, 累积达一定的量, 能与体液和器官组织发生生物化学作用或生物物理学作用, 扰乱或破坏肌体的正常生理功能, 引起某些器官和系统暂时性或持久性的病理改变, 甚至危及生命的物品经口摄取半数致死量 : 固体 LD 50 500mg/g, 液体 LD 50 2 000mg/ kg; 经皮肤接触 24h, 半数致死量 LD 50 1 000mg/kg; 粉尘飞烟雾及蒸气吸入半数致死量 LD 50 10mg/l 的固体或液体 7. 放射性物品系指放射性比活度大于 7.4 10 4 Bq/kg 的物品 8. 腐蚀品系指能灼伤人体组织并对金属等物品造成损坏的固体或液体与皮肤接触在 4h 内出现可见坏死现象, 或温度在 55 时, 对 20 号钢的表面均匀年腐蚀率超过 6.25mm/L 的固体或 10

液体. 每种常用危险化学品都易发生某些具有基本危险特性的反应例如含硫着色剂锌钡白遇酸液分解释放出硫化氢, 长期日晒会变色 ; 二亚硝基对苯二甲酸酰胺发泡剂为爆炸物, 对冲击和摩擦敏感 ; 胺类尤其多胺固化剂有毒性 ; 玻璃纤维石棉等增强物的粉末吸入人体肺中会导致矽肺病, 直接接触人体皮肤会引起瘙痒红斑等症状常用危险化学品的基本危险特性如下 : ⑴ 与还原剂及硫磷混合能形成爆炸性混合物 ⑵ 与乙炔氢甲烷等易燃气体能形成有爆炸性的混合物 ⑶ 与氧化剂会发生反应, 遇明火高热易引起燃烧 ⑷ 遇明火极易燃烧爆炸 ⑸ 遇明火高热或强氧化剂易引起燃烧 ⑹ 遇高温剧烈分解, 会引起爆炸 ⑺ 受热光照会引起燃烧爆炸 ⑻ 遇水会分解 ⑼ 遇水爆溅 ⑽ 遇酸类碱类胺类二氧化硫硫脲金属盐类氧化剂氨硫化氢卤素磷强碱等燃烧物品发生剧烈反应 ⑾ 有燃烧爆炸危险 ⑿ 与还原剂发生剧烈反应, 甚至引起燃烧 ⒀ 见光受热或久贮易聚合, 有燃烧爆炸危险 ⒁ 冲击摩擦振动有燃烧爆炸危险 ⒂ 受高热或燃烧发生分解放出有毒气体 ⒃ 受热分解放出腐蚀性气体 ⒄ 对眼粘膜或皮肤有强烈刺激性, 会造成严重烧伤 ⒅ 触及皮肤易经皮肤吸收或误食吸入蒸气粉尘会引起中毒 ⒆ 有腐蚀性麻醉性或催泪性 ⒇ 有毒或其蒸气有毒普通化学药品在特定条件下也可能发生上列基本危险特性的反应 1.2 试样制备高分子材料加工工程实验试样获取途径有四个 : 直接从塑料制品上截取试样直接从树脂取样直接注塑成型标准试样间接从压制板材上切取试样 1.2.1 直接从塑料制品上截取试样直接从塑料制品上截取试样应根据制品相应的标准规定或按制品提供者的要求进行, 略 1.2.2 直接从树脂取样从树脂直接取样的方法应按国家标准 GB2547-81 规定进行首先应确定样本大小, 然后选定抽样单位, 最后进行取样一样本大小确定为了使样本能满意地反映总体的真实情况, 必须从总体中求取适量的抽样单位 ( 即最小 11

包装件 ) 样本大小可由下式求得 : n=(aσ0/e) 2 式中 n 样本大小, 即抽样单位数 ; σ0 产品总体质量的标准差估计值 ; E 由样本得到的产品总体质量平均值的估计值与用相同方法对每个抽样单位测量得到的产品总体质量平均值之间存在的最大允许误差 ; A 概率系数, 它表示从样本得到的产品总体质量平均值的估计值与对每个抽样单位测量得到的产品总体质量平均值之间存在的误差超过最大允许误差 E 的相应的概率由 (1) 式可变换为 (2) 式, 有时使用起来更为方便 : n=(av0/e) 2 式中 V0=σ0/X 产品总体质量的变差系数估计值 ; e=e/x 用 X 的百分数表示的最大允许误差 ; X 产品总体质量平均值 (1) σ0 或 V0 的求取 : 1) 根据同种产品的历史数据, 分别用下式算出样本大小相等或相近的几批产品的样本的标准差或变差系数 S ( Xi X ) = n 1 2 V ¹ =S/ X 式中 S 标准偏差值 ; X i 单个测定值 ; X 一组测定值的算数平均值 ; n 测定个数 ; V ¹ 批的变差系数然后, 再算出它们的平均值 S=(ΣSi 2/L) 1/2 或 V=(ΣV ¹ 2 i /L) 1/2 分别作为 σ0 或 V0 的估计值式中 L 为批数注 : 在按 1) 求取 σ0 或 V0 时, 一般地讲, 样本大小 n ¹ 越大, 批数 L 越大, 则所得结果越准确, 但在实际应用时, 若数 n ¹ 越大, 则批数 L 可小些, 若数 n ¹ 越小, 则批数 L 要大些如 n ¹ 大于 20 时,L 取 4~5 即可 n ¹ 为 10 左右时, 则 L 最好大干 10 2) 若没有这样的历史数据可用时, 则可按 1) 中注的原则, 着手资料的积累工作, 以便估计出符合要求的 σ0 或 V0 必须定期地抽取足够的样本进行分别检验, 以便不断地修正 σ0 或 V0 (2) 最大允许误差 E 或 e 的确定最大允许误差 E 或 e 可根据需要和可能进行规定所渭需要是指对某项质量特性估计值所要求的准确度, 这要根据该项质量特性对产 12

品的应用所产生的影响大小来考虑如某项质量特性的点变化就会使产品转型, 或对成型加工制品应用产生很大影响, 则从样本得到的特性估计值的准确度就该高些, 即 E 或 e 要规定得小些, 反之 E 或 e 可规定得大些所谓可能是指对样本大小 n 进行测试所需要花费的人力物力是否合适而言样本大小 n 与最大允许误差 E 或 e 的平方成反比, 若不必要地把 E 或 e 规定得太小, 则 n 将会变得过大, 花费的检验费用就很大, 这往往是不经济的, 所以如果对某规定的 E 或 e 求出的 n 太大, 则可调整 E 或 e( 将 E 或 e 增大, 也即降低估计值的准确度 ) 以求出较小的 n 总之, 确定最大允许误差 E 或 e 时, 所考虑的问题是在所要求的估计值准确度和要得到这样准确度的估计值所花的费用大小之间取得适当的平衡 (3) 概率系数 A 的确定概率系数可根据对结果所要求的可信区间来定在工业生产上一般定为 1.96 就够了, 这时从样本得到的产品总体质量平均值的估汁值与对每个抽样单位测量得到的产品总体质量平均值之间存在的误差超过最大允许误差 E 战 e 的概率为 5% 相应于其它概率的 A 值可根据需要, 从正态分布表得到, 例如 : 系数概率 3 3% 2.58 1% 2 4.5% 3.64 10% (4) 对于塑料树脂产品来说, 通常有几项质量特性, 则可分别算出各项质量特性所需要的 n 数, 然后取其中最大的个作为检验批的样本大小也可用与产品主要用途有关的关键性质量中变差系数最大个来计算 n 数二抽样单位选定根据 n 式计算得到的样本大小, 要随机地从产品总体中选出, 具体步骤可按下述两种方法之进行 (1) 随机抽样法 1) 将产品的抽样单位总数 N, 按定 ( 或生产 ) 顺序连续编号, 从 1 编到 N 2) 利用随机数表, 确定被抽取的抽样单位的号数 ( 随机数表及其使用法参见 GB2547-81 标准 ) (2) 系统抽样法 1) 把产品的抽样单位总数 N 用样本大小 n 除, 取其商值的整数部分 h 为取样间隔 2) 在第 1 至第 h 个抽样单位中, 随机地确定一个抽样单位, 然后每隔 h 个抽样单位取一个样如果放料口取样是方便的或产品处在移动过程中, 则可采用系统抽样法三取样取样时, 取样工具取样方式应保证能取出该抽样单位中有代表性的样品, 特别对那些在包装中或运输中会造成不均匀性的产品更要注意这点这时用大小合适的扦筒从不同部位取样是适宜的对于包装件中均匀的产品, 勺状取样器是合适的若取样目的只是要求得到产品总体质量平均值, 则由各包装件中取出的样品可以混合实验取出的样品总量至少应为做实验的需要用量的二倍在每个选中的抽样单位中取出大体等量的样品混合均匀后, 一分为二, 份送交实验, 一份放在密封不污染产品的容器中保存每份都得注明产品名称销售批号生产日期取样日期等若取样目的是要求得到整批产品内各抽样单位间质量分散性情况, 则取出的样品决不可混合, 要分开单独实验, 这时从每个抽样单位中取出的样品量应为做实验必须用量的二倍, 13

分别混合均匀后, 一分为二, 份送交实验, 份放在密封且不污染产品的容器中保存每份都得注明产品名称批号生产日期取样日期等对用样量极少的实验, 应从确定的抽样单位中取出几倍几十倍于实验用量的样品取出后, 用锥形四分法均匀缩样, 直至取得合适的用量有些颗粒料粒子较大, 可在缩至定程度后, 用机械粉碎的方法, 粉碎成小颗粒后, 再行缩样, 直至取得合适的用量为止机械粉碎时, 注意不要使样品过热, 以防降解对塑料树脂而言, 求取质量平均值的情况较多, 故在日常检验中, 可进行混合实验这时在产品传送过程中, 或在产品包装过程中, 用自动连续取样器进行连续取样也是合理的取样方法但是为了了解和掌握批内质量分散性的资料, 则必须定期地抽取适当大小的样本进行分别实验由此积累的分散性资料, 可用于 σ0 或 V0 的求取及控制改进生产工艺 1.2.3 直接注塑成型标准试样直接注塑成型标准试样主要是用于热塑性塑料和热塑性聚合物基复合材料测试试样成型由于注塑成型工艺条件模具结构注塑机控制精确度都影响熔体流动, 从而对试样微观结构形态有重要影响, 尤其是成型工艺条件和模具结构, 因此必须使用统一规定的模具结构, 并在实验报告中标明材料注塑成型工艺条件, 保证试样的微观结构和性能基本一致目前, 注塑成型标准测试试样的模具一般可分为两大类 : 单型腔模具和多型腔模具, 如图 1.2-1 和图 1.2-2 所示单型腔模具一般使用较少, 多型腔模具 (a) (c) (d) 因一次成型的几个试样之间差异很小, 性能一致, 较为常用图 1.2-1 单型腔模具示意图 (a) 长条样多型腔模具 (b) 长条哑铃形多型腔模具 (c) ISO-A 型注塑模具 14

(d) ISO-B 型注塑模具图 1.2-2 多型腔模具示意图注塑试样一般采用往复式螺杆注射机注射机的控制系统应满足一定的精度要求, 如 : 注射压力 ±3%, 熔体温度 ±3, 注射时间 ±0.1s, 注保压力 ±5%, 模具温度 ±3 ( 80 ) 或 ±5 (>80 ), 注射量 ±1% 注塑条件参照材料的相关标准或与提供材料者协商确定具体的操作方法和步骤见第 4.3.1 节 1.2.4 间接从压制板材上切取试样一热塑性塑料压塑试样制备热塑性塑料压塑试样制备参照国家标准 GB9352-88 规定进行压塑试样制备在模压机上进行, 要求模压机加热时模温温差 ±2, 冷却时模温温差 ±4, 模压机合模力 10MPa 模具结构形式有两种 : 溢料式和不溢料式模具两种, 如图 1.2-3 和图 1.2-4 所示溢料式模具适用于制备试样与片料厚度相似或具有可比性的低内应力的试样不溢料式模具适用于制备表面坚固平整内部没有空隙的试样图 1.2-3 溢料式模具结构示意图图 1.2-4 不溢料式模具结构示意图具体操作步骤如下 : (1) 原料可用粒料或片状料根据原料有关标准或材料提供者说明选择是否干燥以及干燥条件 (2) 预成型通常, 用物料直接模塑能得到平整均匀的片料但是, 如果物料需要均化时, 可用双辊塑炼均化原料为了不使聚合物降解, 塑炼时物料在熔融状态停留的时间不要超过 5min 预成型片需在干燥密封的容器内贮存 15

(3) 模塑将压板或模具的温度调节到有关标准规定的模塑温度当温度恒定后, 将称量过的材料 ( 粒料或预成型片 ) 放入模具中使用粒料时, 应将粒料铺平在模具里面, 材料的量要足以熔融充满模腔对溢料式模具允许有约 10% 的损失 ; 对不溢式模具允许有约 3% 的损失然后将模具置于模压机的下压板上, 闭合压板, 在接触压力 ( 压机刚好闭合时不致使材料流动的最高压力 ) 下对材料预热 5min, 然后施加全压 ( 足够使材料成型并把多余的材料挤出的压力 )2min, 随即冷却在预热和热压期间, 温度波动允许在土 5 之内对于厚度为 2mm 的试片, 标准的预热时间是 5min 对较厚的模塑件预热时间应相应调整 (4) 冷却对于某些热塑性塑料冷却速率影响其最终性能, 本标准中规定了四种冷却方法 ( 见表 1.2-1) 冷却方法应根据材料的有关标准来选取, 若无标准或约定, 可使用方法 B 表 1.2-1 冷却方法冷却方法平均冷却速率冷却速率备注 /min /h A 10±5 B 15±5 C 60±30 急冷 D 5±0.5 缓冷 (5) 从压塑片材上截取试样当塑性塑料压塑片材成型冷却后, 选取表面无缺陷的片材, 应用专门的制样机械或冲压加工, 从片材中心部分 ( 离模片周边宽 20mm 的区域 ) 制取试样试样几何形状按照测试的相应标准规定选取试样的机械加工参照 ISO2818-1980 标准进行二热固性模塑料压塑试样制备热固性模塑料压塑试样制备参照国家标准 GB5471-85 规定进行 (1) 原料酚醛氨基热固性模塑料的粉粒料或预锭件 (2) 设备最好选用有两种闭模速度的压机, 快速闭模 ( 如 150~300mm/s), 避免模塑料在闭模前开始固化慢速闭模 ( 如 5mm/s), 防止空气或气体包入材料中钢制模具, 可以是单模腔或多模腔, 全压式或半全压式结构图 1.2-5 为全压式单模腔模具结构示意图模具应设有顶出销或活动底模, 便于脱模模具工作表面应具有 8~ 9 的光洁度, 并镀铬两块试样定型板, 由金属板制成, 其面积与试样相同, 用于试样脱模后的冷却定型 16

图 1.2-5 全压式单模腔模具结构 1- 模腔 2- 边缘斜度小于 3 3- 测温孔 4- 间隙不大于 0.1mm 5- 空腔 (3) 操作步骤 1) 按表 1.2-1 表 1.2-2 和材料相关标准, 确定模塑温度预热和压制时间冷却方式模塑压力 ( 表压 )p0 与模塑料承受压力 P 关系如下 : P = F 10-6 /S F = p0 Sp 10 4 式中 P 模塑料承受压力,MPa, 由材料性质决定, 可从塑料手册中查得 F 压机施加压力,N; S 模腔投影总面积,cm 2 ; p0 油压,MPa; Sp 活塞头面积,cm 2 由 P 关系式可求出模塑压力 ( 表压 )p0 2) 调节模塑温度, 恒定温度, 温差不超过 ±2 3) 用点温计测量模腔温度 4) 按试样体积称取所需的模塑料量模塑料量 = 试样体积模制件密度 ( 由生产者提供 ) 十损耗 ( 损耗由以前的实验确定 ) 5) 模塑料需要预热者, 按要求进行预热 6) 装料例如粉粒料或预锭件加入模腔, 合模, 必要时排气 7) 加压当压力达到规定值时, 开动计时装置 8) 固化结束, 卸压, 脱模, 立即取出试样并置于试样定形板上冷却 9) 检查模制件是否符合要求 ( 充模情况外观等 ) 未经预热的材料, 允许开模排气, 对程序控制压机, 排气操作自动进行经过预热的材料一般不需排气, 除非产品标准中有规定, 但必须在实验报告中说明 (4) 从压塑片材上截取试样从压塑片材上截取试样参照 ISO2818-1980 标准进行模塑料种类项目和条件表 1.2-2 模塑条件酚醛模塑料细粒粗粒脲醛氨基模塑料三聚氰胺 - 甲醛通用食用 17

预处理干燥预压锭高频预热排气模塑温度, 压力,PMa 如试样进行电性能测试允许允许允许允许可以, 并能改进性能, 缩短固化时间允许允许允许允许 160±2 150±2 150±2 160±2 25~40 40~60 20~40 20~40 20~40 固化时间,min/mm 1 0.5~1.0 1.3 数据处理高分子材料加工工程实验总离不开利用量具或仪器对试样进行测量, 并对测得值进行计算和分析如何确定测量的精确度误差测得值的有效位数, 即如何正确的进行数据处理, 这直接关系到实验数据的可靠性, 是一个很重要的问题 1.3.1 测量误差所谓测量, 是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程测量方法可分为下列几种 : 1. 直接比较测量法将被测的量直接与已知真值的同类量相比较的测量方法 2. 微差测量法将被测的量与同它的量值只有微小差别的同类已知量相比较并测出这两个量值间的差值的一种测量方法 3. 零差测量法用平衡法确定被测量值的测量方法, 需要调整一个或几个 ( 或已知其值的 ) 并与被测量值有已知平衡关系的量 4. 组合测量法用直接或间接测量一定数目的被测量值的不同组合, 求解这些不同组合的方法组来确定这些量值的一种测量方法 5. 内插测量法根据不同量值之间的相关法则和该量的两个已知值, 来确定位于该两个已知值间的待测量值的一种方法 6. 计量器具的示值法由计量器具指示的被测量值在高分子材料加工工程实验中, 最常用的是计量器具的示值法用这种方法进行测量时可能存在器具误差 ( 器具本身所具有的误差 ) 调整误差 ( 测量前未能将计量器具或被测件调整在正确位置或状态所造成的误差 ) 观测误差读数误差视差和估读误差因此, 测量结果与被测量真值之间存在差值, 即测量误差测量误差可以用绝对误差或相对误差来表示绝对误差 = 测量结果被测量的真值, 相对误差 = 绝对误差 / 被测量的真值有时, 为了便于分析测量结果, 将偏离测量规定条件时或由于测量方法所引入的因素, 并按照某确定规律引起的误差称为系统误差 ; 将在实际测量条件下, 多次测量同一量值时, 误差的绝对值和符号以不可预定方式变化着的误差, 称为随机误差理论上, 对已定系统误差可用修正值来消除测量结果中的系统误差大小的程度可用测量的正确度表示用测量的精密度, 即在一定条件下进行多次测量时, 所得测量结果彼此之间的符合程度来表示测量结果中的随机误差大小的程度也用正态分布描述随机误差及其概率的分布情况 1.3.2 近似数 18

正如以上所述, 测量值以及对其进行计算的所得值均为近似值 ( 又称为近似数 ) 因此在进行实验数据处理时, 存在合理取舍所得数字位数的问题对那些小于测量误差的数字, 数位取得再多也没有意义, 而且计算复杂麻烦当然仅为了计算方便, 而将近似数的数位取得过少, 甚至少于测量精确度, 就极为不合理一近似数截取通常用四舍五入法截取近似数这种方法截取近似数所引入的误差, 就其绝对值来讲, 不会超过截取到第 n 个数位上的半个单位例如 5.3546, 截取成 5.355, 截取到第 4 位, 其误差的绝对值为 : 5.355-5.3546 =0.0004< 1 0.0001=0.0005 2 二有效数字确定有效数字系指当截得近似数的绝对误差是末位上的半个单位时, 这个近似数从第 1 个不为零的数字起, 到这个数位止的所有数字一个近似数有几个有效数字, 就叫这个近似数有几个有效位数例如 5.355 为四位有效数,5.3546 为五位有效数在处理实验数据时, 要求确定有效数字后的绝对误差一定要与测量精度相一致三近似数的运算近似数经过加减乘除乘方和开方运算后, 其有效数字应按以下规则确定 : 1. 在近似数相加 ( 加数不超过 10 个 ) 或相减时, 小数位数较多的近似数, 只要求比小数位数最少的那个数多保留一位, 其余按四舍五入法均将它们截去, 然后进行运算, 在计算的结果里, 应保留的小数位数和原来近似数的小数位数最少的那个数的位数相同 2. 当两个近似数相乘或相除时, 有效数字较多的近似数, 只要比有效数字少的那个多保留一位, 其余的均舍去在计算的结果中, 从第一个不是零的数字起, 应保留的数字的位数和原来近似数里有效数字最少的那个相同 3. 对近似数进行乘方或开方时, 计算的结果从第 1 个不是零的数字起, 应保留的数字和原来近似数的有效数字的位数相同 4. 在多步运算时, 中间步骤计算的结果, 所保留的数字要比上面的规定多取一位 5. 对于一些无穷小数 ( 无理数 ) 参于的运算, 则应根据需要而取对于在求算术平均值时, 如果是四个以上的数进行平均, 则平均值的有效位数可多取一位因为平均值的误差要比其他任何一个数的误差小在对于测量结果和评定这个测量结果的精确度时, 它们的末位应取得一致, 如 3.64± 125 应写成 :3.64 土 0.12 1.3.3 数据分析高分子材料加工工程实验中, 常用的数据分析表示法有以下几种 : 一算术平均值与均方根偏差算术平均值为一个量的 n 个测得值的代数和除以 n 而得的商算术平均值 ā 用可表示为 : ā=σai/ n 1 n 或 ā= (a 1 +a 2 + +a n ) 式中 ai 测量列中单次测量的测得值 ; 符号表示对所有 ai (i=l,2,,n) 求和 ; 19

均方根偏差也称测量列中单次测量的标准偏差, 是表征同一被测量值的 n 次测量所得结果的分散性的参数, 并按下式计算 : σ=[(σdi 2)/ n] 1/2 式中 n 测量次数 ( 应充分大 ); di 测得值与被测的量的真值之差 ; 2 符号表示对所有 di (i=l,2,,n) 求和 ; 实际上, 在有限次测量的情况下, 用残余误差 Vi 代替 di, 并按下列公式计算标准偏差的估计值 : σ=[(σvi 2)/ (n-1)] 1/2 其中, 残余误差 Vi 为测量列中的一个测得值 ai 和该列的算术平均值 ā 单次测量的标准偏差之间的差, 即 Vi=ai-ā 二正态分布正态分布又称高斯分布, 是测量误差理论中常见的一种误差分布方式, 用以描述随机误差及其概率的分布情况, 其概率分布曲线用下列函数来表示 : δ 2 /2σ 2 f(δ)= e / [σ(2π) 1/2 ] 式中 f(δ) 误差为 δ 所出现的概率分布密度 ; δ 随机误差 ; σ 标准偏差 ; e 自然对数的底三实验曲线当需用实验数据绘图时, 通常将数据描出的点作为节点, 由节点连成线段有时, 为了使实验结果的变化趋势看起来更加细微, 往往要对所连的实验线段进行光滑处理, 最后得到光滑的实验曲线这些处理方法有回归法滑动平均法和拟合法等目前随着计算机运用的广泛普及, 出现了一些有用的计算软件专门用于处理实验数据, 即绘制实验曲线软件, 例如 Oring6.0 绘图软件, 使用起来很方便 1.4 影响实验结果的因素影响高分子材料加工工程实验结果的因素很多, 可概括为原材料制样和测试条件三个方面因素 1.4.1 原材料因素高分子材料常常由树脂和添加剂组成高分子材料的基本性能随树脂和添加剂品种牌号及其用量而异树脂品种牌号代表了一定的树脂合成工艺路线分子量大小及分布支化度大分子链结构共聚添加剂品种和用量等信息, 因此不同牌号的树脂, 甚至不同厂家生产的同一牌号树脂, 其性能可能有较大差异加之, 为了便于加工和改善材料的性价比, 需加入各种添加剂, 最终所得高分子材料的某些性能明显优于树脂而添加剂的品级生产工艺包装储存等情况对添加剂在高分子材料中的功效有显著影响, 故在高分子材料加工实验结果 20

中, 很有必要注明所用原材料牌号品级生产厂家组成配比等原材料信息 1.4.2 制样因素在高分子材料加工实验中所用的实验试样的几何形态有粉状粒状板片膜丝和条棒等制备实验试样的方法条件和设备均会通过试样的受热历史受力历史分散状态差异, 影响实验试样的加工性微观结构及宏观性能因此, 高分子材料加工工程实验需按一定的实验约定或根据一定的测试标准所规定的方法和条件, 制备标准测试试样, 并注明制备试样所用的方法条件设备型号器具等例如挤出成型硬制品用 PVC 混合粉料, 可直接从生产厂家购进, 也可自己配制, 无论以何种方式得到粉状试样, 都必须在实验报告中注明混合方法 ( 高速热混合高速热混合 + 低速冷混合或捏合 ) 设备型号混合时间和温度包装储存时间环境又例如测试高密度聚乙烯抗拉强度试样, 可从板材片棒或制品上直接裁取, 也可直接用注射等成型方法成型用前一种方法得到试样的测试结果不仅与成型板材片棒或制品的模具结构成型机器及成型温度成型压力冷却速度等工艺有关, 而且还与裁取试样所用器具裁取速度试样整修等有关而用后一种方法获取试样, 影响测试结果的因素相对简单较少另外, 试样的几何尺寸也会明显影响实验结果试样几何尺寸的影响又称尺寸效应它是由试样内在微观缺陷和微观不同性而引起微观缺陷系指 : 试样在制备或加工过程中, 受到热力或其它因素作用而产生的显微隙缝 ( 试样表面最容易损伤 ) 微观不同性指结构上存在的缺陷或不均匀性微观缺陷在试样受力过程中会增长延伸, 直接影响强度和塑性变形微观不同性会导致与力学性质取向结构分子量不相同的微区域相关的一些材料性能测定存在差异, 如热性能光学性能声学性能电性能等故在高分子材料加工工程实验报告中, 尤其是测定所列举的性能项目, 需注明试样尺寸或测试标准试样体积或表面积愈大, 微观缺陷出现的机率则愈大, 故从理论上讲, 大试样的强度结果会比小试样结果低由于试样在制备过程中总会产生一些内应力, 为了避免这种残余应力对测试结果的影响, 在实验之前, 可根据高分子材料性质, 选择性地对试样进行退火处理退火处理条件取决于高分子材料性质组成成型过程及结构, 原则上退火温度比材料的玻璃化温度约高 (5~ 10 ), 退火过程中试样不能发生变形, 退火效果很大程度上由退火时间决定 1.4.3 测试条件测试环境条件包括测试温度湿度试样的状态和变形速率以及测试设备状况等测试温度和湿度对测试结果的影响程度取决于所测性能项目和试样材料一般而言, 热塑性塑料比热固性塑料更敏感, 耐热性低的比耐热性高的更敏感例如聚氯乙烯在 10 测定的拉伸强度比在 30 下测定的拉伸强度高 15% 由此看来, 测试温度湿度标准化很有必要同理, 试样的环境状态也应标准化当试样制备之后, 测试之前, 均应进行状态调节目前国内外各类标准对标准状态调节的条件规定都相同在温度 23, 相对湿度 50%, 气压 86~106kPa 条件下, 放置时间 24h 对于某些比较特殊的材料如聚酰胺和玻纤增强的热塑性塑料的力学性能受吸湿影响, 需进行特殊状态调节由于高分子材料属粘弹性材料, 具有明显的形变滞后应力松弛蠕变绝缘等现象, 因此试样的变形速率对测定高分子材料对外界响应性能结果有极大的影响各类相关性能测试标准均已按材料类别性能类别一一作了规定, 实验操作时必须按规定条件进行, 以保证实验数据结果的重复性和可比性 21

1.5 安全知识在实验过程中或在实验室里遇到突发的实验事故时, 应立即采取应对措施 1.5.1 现场人员意外受到危险化学品伤害和玻璃划伤当人皮肤接触了剧毒中等毒品有害品或腐蚀品时, 应立即脱去衣着, 用大量水冲洗至少 15min 就医当人眼睛接触接触了剧毒中等毒品有害品或腐蚀品时, 应立即提起眼睑用大量流动清水或生理盐水冲洗眼睛至少 15min 就医当人吸入剧毒中等毒品有害品或腐蚀品时, 应迅速撤离现场到空气新鲜处 ; 如呼吸困难, 应供给输氧 ( 如有适当的解毒剂, 立即服用 ), 必要时进行人工呼吸就医当人某部位被玻璃割伤时, 如果为一般轻伤, 应及时挤出污血, 并用消毒过的镊子取出玻璃碎片, 用蒸馏水洗净伤口, 贴上创可贴 ; 如果为大伤口, 应立即用绷带扎紧伤口上部, 使伤口停止出血, 急送医疗所 1.5.2 火灾及火伤在实验室里操作和处理易爆易燃溶剂时, 应远离火源所有仪器设备在使用前一定按操作说明书安装调试检查一旦发生火灾事故, 应首先切断电源, 然后迅速将周围易着火的东西移开有机物着火燃烧时, 应向火源撒沙子用石棉布覆盖火源以及使用灭火器, 在大多数情况下, 严禁用水灭火衣服着火时, 应立刻用石棉布覆盖着火处或迅速将衣服脱下 ; 若火势较大, 应在呼救的同时, 立刻卧地打滚, 绝不能用水浇泼如果人体被烧伤或烫伤, 在伤处涂以苦味酸溶液玉树油, 兰油烃或硼酸油膏 ; 如为重伤, 立即送往医院 1.5.3 爆炸某些化合物容易爆炸, 例如有机过氧化物芳香族多硝基化合物和硝酸酯等, 受热或敲击均会爆炸芳香族多硝基化合物不宜在烘箱内干燥乙醇和浓硝酸混合在一起, 会引起极强烈的爆作因此应尽可能将易燃易爆物品分隔存放在通风阴凉处若发生爆炸, 应立即切断电源, 撤离现场, 拨打 119 报警 22

第二章高分子材料成型工艺性能测试 2.1 水分一实验目的通过本实验使学生了解高分子材料吸湿特性含水量测定方法及原理二实验原理高分子材料含水量过高时, 对其制品的外观质量力学性能电性能光学性能以及成型性能都会产生不良影响因此, 在高分子材料成型加工中往往要控制树脂或塑料的含水量, 必要时还应考虑尽可能地除去水份以保制品质量要求用来测定塑料水份的方法很多 : 诸如干燥失重法蒸气测压法溶剂共沸蒸馏法卡尔费休滴定法以及气相色谱红外光谱等仪器分析法对不同的塑料, 由于各种方法的特殊性 ( 高温下的化学反应被测聚合物的难溶解与试剂的某些副反应干扰等 ), 其适用范围都有一定限制干燥失重法简单方便, 不需特殊仪器装置, 但干燥过程常常是在较长时间的高温下进行, 对于耐热性差的某些塑料易造成过热分解而产生挥发性物质 ; 对另一些塑料还有可能进一步发生缩聚反应而放出水, 致使实验结果偏高其次, 由于树脂中或多或少含有一定量的未聚合体, 因此在干燥失重的挥发物中, 水并不是唯一的组份卡尔费休滴定法是普遍采用的微量水份测定方法, 对大多数的有机物和无机物中水的分析都能成功此方法被广泛用于测定塑料含水量, 它具有反应专一灵敏度高等特点不过这种方法实验操作较麻烦, 尤其是对某些能和卡尔费休试剂起反应的聚合物不能直接滴定, 必须将试剂的配方或操作过程进行相应的改进, 方能得到良好的效果本实验采用的蒸汽测压法其实验原理为 : 将高分子材料试样置于密闭的真空系统中, 系统加热温度恒定在高于该系统压力下水的沸点的某一温度下, 塑料中的水受热汽化使容器系统压力升高, 其压力升高值通过一准确压力计 ( 经参比物校正 ) 计量, 即测出该试样的含水量测压法快速灵敏度较高适应广泛但测压法因压力的升高有可能来源于高分子材料中其它的挥发性组份因此, 测压法与干燥失重法具有类似的局限性, 当被测塑料仅含少量挥发性成份且在测定温度下不明显降解时, 此方法可得到较准确的结果三实验原料及试剂 PC PA PE 等树脂或塑料蒸馏水和指示剂 ( 液体石蜡 ) 四实验设备 (1) 主要实验设备为压差式水份测定装置, 见图 2.1-1 23

图 2.1-1 水份测定装置示意图 1 实验综合控制仪 2 油浴 3 试样 4 温度计 5a 5b 缓冲瓶 6 U 形管 7a 7b 阀门 8 真空泵 (2) 其他实验用具玻璃毛细管 10 只, 医用注射器 (10ml)1 支, 天平 ( 感量 0.00019)1 台, 磁铁小铁块酒精喷灯等实验用工具五实验步骤 (1) 选择压力计内指示剂压力计内所用指示剂一般应选用密度挥发性和热膨胀系数小, 与水不发生作用且稳定性好的油状液体本实验采用液体石蜡作指示剂, 测量精度较高, 可考虑适当减小压力计的 U 形管管径 (2) 标定仪器常数 K K 值的大小与参比物的特性测定条件和测试仪器的灵敏度有直接关系可用的参比物除纯水外还可用胆矾 (CuSO 4 5H 2 O) 等, 本实验采用不等量纯水来测定气压差, 作图求得 K, 其标定步骤如下 : 1) 将一组 (4 只以上 ) 玻璃毛细管洗净烘干, 在酒精喷灯上先封闭管的一端, 依次编号称重 ( 准确至 0.0001g), 随后用注射器在毛细管中分别注入不等量 (0.001~0.01g) 的蒸馏水, 细心地熔封管的另一端再分别称量已封装的毛细管, 计算出各管中蒸馏水的质量 ( 准确至 0.0001g) 2) 在 U 形管压力计内装入一定量的液体石蜡, 把一只已装水封端的毛细管和一小铁块同时装入磨口玻管中, 按图 2.1-1 接入实验装置系统 3) 检查系统密封状况, 首先观测各器件是否连接良好并及时调整至工作状态, 然后开启管道上的阀 7a, 启动真空泵, 再缓慢开启阀 7b 当真空表的液位差约 1mmHg 时, 关闭阀 7b, 停止抽真空且随即关闭阀 7a( 此时 U 形管内两液面应稳定在同一水平上 ) 4) 将实验综合控制仪 ( 即控温加热电压调节器 ) 的两只传感器插头分别插入该仪器控制 Rt 和显示 Rt 插座, 同时将传感器插入油浴缸的 50mm 深处, 且把带插头的电源线一端插入该仪器电源插座, 另一端与 50Hz 220V 电源接通再把温度调节旋钮调到予定的控温刻度上 ( 使用时详见该仪器说明书 ), 加热油浴至实验温度 ±1 5) 在已加热的玻管外用一磁铁吸起管内的小铁块, 让它下落击碎装水的毛细管瞬间, 释放出的汽化压力将使压力计内两液面出现高度差恒温 20min( 油浴温度应控制在实验温度 ±1 ), 待液位稳定后记录下液位差值 h 1 开启三通阀排空, 最后截断电源 6) 再将另一只已装水封端的毛细管和同一铁块装入玻管中, 重复上述操作过程, 测得另一液位差值 h 2 依此类推可测得各对应的液位差值 hi, 分别记录填入表 2.1-1 中, 按 Ki 式计算出各对应的 Ki 值, 再求其算术平均值 K (g/mm) 或利用仪器特性曲线的斜率也可得到仪器常数 K 7) 标定完毕后, 把小铁块放回装置系统 ( 缓冲瓶 ) 中, 以减小测试塑料时的实验误差项目序号表 2.1-1 标定仪器常数 K 实验记录 1 2 3 4 24

蒸馏水的质量 Wi,g 液位差值 h1,mm 仪器常数 Ki, g/mm (3) 高分子材料含水量的测定在天平上称取 1~2g( 其量随试料不同而异, 准确至 0.0001g) 试样, 加入玻管中, 按图 2.1-1 接入实验装置系统在与标定仪器常数 K 相同的操作步骤下检查系统密闭情况, 备好加热控温部件, 用大于该系统压力下水的沸点, 小于试样熔点的温度加热玻管, 使玻管内试样所含水份被蒸出让其恒温 20 分待 V 形管内液位差稳定后, 读取其差值 h 然后, 打开三通阀解除真空, 切断电源, 实验完毕六实验结果 (1) 计算法求 Ki Ki = Wi Δhi 式中 Ki 每次测样计算出的仪器常数 (g/mm); Wi 每次所测液位差值 (mm) (2) 试样含水量 X KΔh X = 100% W 式中 X 试样水份百分含量,%; K 仪器常数的平均值,g/mm; h 液位差值,mm; W 试样质量,g (3) 同批高分子材料的含水量重复测定三次以上, 取其算术平均值作为结果, 保留 4 位有效数字七实验报告实验报告应包括下列内容 : (1) 实验名称要求和实验原理 ; (2) 实验仪器原材料名称型号生产厂商 ; (3) 实验操作步骤 ; (4) 实验条件 ( 标准 ) 和实验结果记录 ; (5) 异常实验现象的记录及其原因分析 ; (6) 解答思考题八思考题 1 高分子材料中的水分是如何产生的? 如何尽量减少高分子材料中的含水量? 2 水分测定中, 有哪些操作条件影响测定结果的准确性? 25

2.2 密度高分子材料的密度是表征其物理性质的一个重要参数, 它受聚合物的化学结构和形态结构以及高分子材料组成的影响, 尤其是结晶性的聚合物, 密度与表征内部结构规整程度的结晶度有密切的关系密度的测定可用来计算聚合物的结晶度, 配合其它实验技术以探索聚合物的结构和性能特征另外, 从结构和质量的变化可鉴别不同塑料及其复合物的组成与分散状况, 从而控制高分子材料性质评价其使用范围在生产上往往利用密度来计算高分子材料的比强度和体积成本以及控制产品质量测定密度常见的方法有比重瓶法浸渍法分析天平法, 膨胀计法密度梯度法以及折射法等各种方法的测试原理和适应性有所不同, 使用的仪器设备操作难易和精确程度也有差异例如比重瓶法是用称重来测定被测试样所置换的液体体积, 它既可测液体密度也可测固体密度, 在测固体密度时, 所用参比物必须是对被测固体不发生化学作用, 不溶解也不溶胀, 挥发性小且密度已知的水或其它液体高分子材料粉状粒状片状或纤维状物料在自然堆砌时, 单位体积的质量称为堆砌密度, 又称表观密度堆砌密度衡量着树脂或塑料相对松散性和相对体积大小, 因此在高分子材料成型加工中, 有时了解材料的堆砌密度指标很重要本实验通过测定高分子材料密度和堆砌密度, 使学生了解密度梯度法原理及仪器操作程序 ; 掌握正确测定高分子材料密度及其堆砌密度的方法 2.2.1 材料密度一实验原理密度梯度法是采用一定的实验技术, 在细而长的玻管内, 放入不同密度的可互相混合的两种轻重液体 ( 密度大者为重液, 小者为轻液 ), 使在接触界面互相扩散达到沉降平衡, 配制成密度由上而下递增的并呈连续分布的密度梯度混合液柱 ( 即密度梯度管 ) 配制时将一组已知密度的玻璃小球投入管中, 标定其在液柱中的高度, 即得有关的二元混合液的密度与液柱高度的标定曲线然后向恒温管中投放被测试样, 根据悬浮原理, 当试样稳定地悬浮于液柱中某位置时, 此位置的液层密度正好就是该试样的密度密度梯度法能在一个相当范围内同时测定不同密度的试样, 对密度相差极小的试样更是一种灵敏度较高的测试技术二试样及试剂各种高分子材料液体固体固体试样颗粒大小以能准确测量体积中心位置且不致搅动梯度管为宜, 要求试样清洁表面光滑无裂缝无凹陷气泡等缺陷对于测定高分子材料制品密度, 在切割制样时, 应防止外应力引起试样的密度变化蒸馏水工业乙醇苯四氯化碳等试剂本次实验测定共聚聚丙烯粒料的密度三实验设备 (1) 密度梯度管测定仪本实验采用密度测定仪, 其装置示意图见图 2.2-1 该仪器主体结构是由密度梯度管恒温水浴控温测量电器系统等部件组成三支梯度管由有机玻璃底座垂直固定在水浴缸中, 玻璃浴缸内盛蒸馏水, 由插入水浴中的热敏电阻传感元件发出电讯号达到控温和测温指示梯度管内备有不锈钢网, 可通过顶部电机传动以实现匀速提升或下降捞取试样而不至破坏密度梯度的目的该仪器的主要技术指标为 : 带磨口梯度管容量 400ml ; 标准密度玻璃球 26

0.8000~16000g/cm 3, 间隔 0.003g/cm 3, 精确度 ±0.0002g/cm 3, 可在 20~23 使用 ; 温度控图 2.2-1 密度测定仪示意图图 2.2-1 密度梯度管测定装置示意图 1 玻箱恒温水浴 2 梯度管 3 搅拌器 4 温度计 5 接点温度计 6 加热器制 10~50 ; 恒温水浴温度波动 ±0.2 (2) 其他实验用具玻璃联通瓶 2 个 ; 磁力搅拌器 1 套 ; 密度计 1 组, 分度为 0.001g/cm 3 ; 测高仪, 注射器移液管量筒细玻管塑料细管夹子等实验用具四实验步骤 (1) 测试前的准备 1) 梯度管内液体的选择在试样的密度范围, 梯度管内液体应能满足 : 不被试样吸收, 不与试样起化学反应, 两种液体能以任何比例相互混合, 混合时不发生化学作用, 混合体积具有加和性, 粘度和挥发性必须很低且价廉易得常用的密度梯度管二元混合体系如表 2.2-1 所列, 可按试样选用二元体系甲醇苯甲醇乙醇水异丙醇水表 2.2-1 常用的密度梯度管二元混合体系密度范围二元体系密度范围二元体系 (g/cm 3 ) (g/cm 3 ) 0.80-~0.92 异丙醇乙二醇 0.79~1.11 水溴化钠 0.79~1.00 乙醇四氯化碳 0.79~1.59 水硝酸钙 0.79~1.00 甲苯四氯化碳 0.87~1.59 四氯化碳二溴丙烷密度范围 (g/cm 3 ) 1.00~1.41 1.00~1.60 1.60~1.99 2) 轻重液体溶剂量的估算和配制首先估计被测试样密度范围, 再根据梯度管的容量和上下限密度要求 ( 上限拟比试样的最大密度略高, 下限拟比试样的最小密度略低 ), 按重液体积约等于梯度管容量一半, 轻液体积不大于 5% 重液体积的经验法则, 用下式计算出两种液体的密度和溶剂量 ρ M =[ρ 1 V 1 +ρ 2 (V M -V 1 )]/V M 27

式中 ρ M 混合液体密度,g/cm 3 ; ρ 1 重液密度,g/cm 3 ; ρ 2 轻液密度,g/cm 2 ; V M 混合液体积,cm 3 ; V 1 重液体积,cm 3 然后, 按需要量用移液管量取两种溶剂分别注入量筒中, 加入计量的蒸馏水, 搅匀混合后用密度计检测之, 并调整至轻重液的密度要求 (2) 密度梯度管的配制和标定 1) 配制方法配制密度梯度管的方法有多种, 可以选用其中任意一种方法配制, 但必须保证密度梯度管的灵敏度对每厘米柱高不低于 0.001g/cm 3 常用的配制方法有二种 :a. 使连续注入梯度管中液体密度逐渐变小的方法, 见图 2.2-2; b. 使连续注入梯度管中液体密度逐渐变大的方法图 2.2-2 密度梯度管配管装置 1 轻液容器 (A) 2 重液容器 (B) 3 电磁搅拌器 4 梯度管 5 恒温水浴以图 2.2-2 方法为例, 将符合要求的轻重液体分别装入联通瓶 A B 中, 用套有塑料细管的注射器捕尽气泡然后开动磁力搅拌器, 同时拧开活塞 a 和 b 向梯度管中输液, 调节搅拌速度使液面不致波动太大, 并控制沿梯度管壁流下的液体流速为 5~6ml/min( 配制过程中应经常用秒表检查流速 ) 随着 B 瓶中液面的匀速下降,A 瓶中的液体不断地向 B 瓶流入, 使 B 瓶中液体密度随时间而逐渐减小, 从而在两种液体的混合转移过程中促使梯度管内形成连续的密度梯度液柱, 直至梯度管注液到所需液柱高度为止 2) 操作步骤按密度测定仪操作技术规程 ( 使用时详见该仪器说明书 ), 调节控温测验温系统至工作状况, 恒温控制在 20±0.2 随即将配制成的密度梯度管平稳地移至密度测定仪水浴中, 待温度平衡后, 把已知密度的玻璃球 ( 不少于 5 个 ) 按密度大小依次用轻液湿润后轻轻地投入管中, 使其纵贯梯度管液柱的有效区间盖紧磨口塞, 恒温 2 小时以上, 便可对应梯度管的刻度, 测量悬浮在液柱中小球中心的高度, 然后在座标纸上以小球密度对相应的梯度管高度作图, 即得该密度梯度管的标定曲线此图线应符合线性关系, 否则要废弃混合液, 重新配制梯度管 (3) 试样密度的测定 28

按实验原材料的要求, 每种高分子材料试样选取三粒, 用轻液浸泡数分钟, 防止试样表面吸附空气泡, 然后将浸润良好的试样依次间隔一定时间轻轻地投入已恒温的梯度管中, 注意不让试样粘附于管壁, 盖紧磨口塞, 恒温平衡 10 分钟以上 ( 厚度小于 0.05mm 的薄膜要 2 小时方能稳定 ) 待试样完全静止后, 对应梯度管的刻度测得悬浮在液柱中的试样体积中心高度, 再利用标定曲线查出对应的密度值当发现梯度管中试样过密, 对下沉试样碰撞过多而影响测试时, 可开动顶部电机提升不锈钢网, 慢速将梯度管中试样及玻璃球打捞出来, 待液柱充分稳定后再行使用五实验结果表述 (1) 密度梯度管的标定 1) 将下列实验数据列表记录 : 序号小球密度小球在液柱中高度 2) 绘制密度管的标定曲线 (2) 列表记录试样的测试结果序号试样在液柱中高度平均高度对应的密度六实验报告实验报告应包括下列内容 : (1) 实验名称要求和实验原理 ; (2) 实验仪器原材料名称型号生产厂商 ; (3) 实验操作步骤 ; (4) 实验条件 ( 标准 ) 和实验结果记录 ; (5) 解答思考题七思考题 1 如果试样表面不平整, 对测定结果有何影响? 2 同种高分子材料, 牌号不同, 其密度有无差别? 为什么? 3 高分子材料的密度与其力学性能之间有何关系? 举例说明 2.2.2 堆砌密度一实验原理本实验原理为 : 利用树脂或塑料的自重, 将试样从规定的高度自由落入已知容积的容器中, 测量单位体积的树脂或塑料的质量, 即得该试样的堆砌密度 ( 表观密度 ) 的大小堆砌密度与树脂或塑料的颗粒形状粒度分布空隙率湿含量等因素有关一般来讲, 粒度组成愈均匀, 水分和细小颗粒愈少, 其松散性愈好, 即该种材料从加料器中均匀流出的能力愈好在塑料的配制和加工设备的利用上能获得更好的效益堆砌密度对塑料包装储存混合器容积和成型模具型腔的设计等具有实际意义二原材料粉状粒状片状或纤维状树脂或塑料本次实验采用酚醛模塑粉作为原材料试样三主要仪器设备 29

天平 ( 感量 0.1g) 1 台漏斗 ( 金属制, 内表面光滑形状及尺寸见图 2.2-3); 1 个测量圆筒 ( 金属制, 内表面光滑容积为 100±0.5cm 3, 内径为 40mm) 1 个量筒或量杯 (150~200ml) 1 个刮料板 ( 直尺 ) 1 块图 2.2-3 堆砌密度测量装置 1- 漏斗 2- 挡料板 3- 测量圆筒 ( 容积 100±0.5 厘米 3 )4- 支架四实验步骤 (1) 按图 2.2-3, 把漏斗垂直架置, 其下端小口距测量量筒正上方 20~40mm 处, 尽可能与测量量筒同轴 (2) 用挡料板封闭漏斗下端小口, 在天平上称量量筒质量 ( 准确至 0.1g), 将 115±5cm 3 试样混匀后轻轻倒入漏斗中 (3) 迅速抽开漏斗挡料板, 让试样自由流进测量量筒, 不容许震动或敲击容器 (4) 当测量量筒已装满试样, 用一刮板垂直刮去测量量筒顶部多余的试样然后在天平上称量圆筒中试样的质量 (( 准确至 0.1g) (5) 把已用过的试样倒入瓷盘, 可用于压制成型重新取料, 重复按实验步骤 (2)~(4) 进行实验需重复二次实验五实验结果表述试样的堆砌密度按下式计算 : D = (W2-W1)/V 式中 D 堆砌密度,g/cm 3 ; W2 装满试样的测量量筒质量,g; W1 测量量筒质量,g; V 测量量筒的体积,cm 3 用三次实验数据计算的 D 值的算术平均值作为实验结果六实验报告实验报告应包括下列内容 : (1) 实验名称要求和实验原理 ; (2) 实验仪器原材料名称型号生产厂商 ; (3) 实验操作步骤 ; (4) 实验条件 ( 标准 ) 和实验结果记录 ; (5) 解答思考题 30

七思考题 1. 何谓堆砌密度? 测定堆砌密度有何意义? 2. 影响实验误差的主要因素有哪些? 如何正确控制使实验误差最小? 2.3 塑化性能 ( 转矩流变仪 ) 一实验目的 1. 了解高分子材料塑化性能与成型加工性的关系 ; 2. 掌握由高分子材料塑化特性拟定成型加工工艺的方法 ; 3. 熟悉测定高分子材料塑化性能的方法及原理二实验原理高分子材料的成型过程, 如塑料的压制压延挤出注射等工艺, 化纤纺丝, 橡胶加工等过程, 都是利用高分子材料熔体的塑化特性进行的熔体受力作用, 不但表现有流动和变形而且这种流动和变形行为强烈地依赖于材料结构和外界条件, 高分子材料的这种性质称为流变行为 ( 即流变性 ) 测定高聚物熔体流变性质, 根据施力方式不同, 有多种类型的仪器, 转矩流变仪是其中一种它由微机控制系统混合装置 ( 挤出机混合器 ) 等组成测量时, 测试物料放入混合装置中, 动力系统对混合装置外部进行加热并驱使混合装置的混合元件 ( 螺杆转子 ) 转动, 微处理机按照测试条件给予给定值, 保证转矩流变仪在实验控制条件下工作物料受混合元件的混炼剪切作用以及摩擦热外部加热作用, 发生一系列的物理化学变化在不同的变化状态下, 测试出物料对转动元件产生的阻力转矩物料热量压力等参数微处理机再将物料的时间转矩熔体温度熔体压力转速流速等测量数据进行处理, 得出图表形式的实验结果利用转矩流变仪不同的转子结构螺杆数螺杆结构挤出模具以及辅机, 可以测量高分子材料在凝胶熔融交联固化发泡分解等作用状态下的转矩温度时间曲线, 表观粘度剪切应力 ( 或剪切速率 ) 曲线, 了解成型加工过程中的流变行为及其规律还可以对不同塑料的挤出成型过程进行研究, 探索原材料与成型工艺设备间的影响关系总之, 测量塑料熔体的塑化曲线, 对于成型工艺的合理选择, 正确操作, 优化控制, 获得优质高效低耗的制品以及为制造成型工艺装备提供必要的设计参数等, 都有非常重要的意义三原材料试样本次实验试样采用硬质 PVC 粉状复合物, 其配方如下 : PVC 58.9g DOP 2.4g 三盐基性硫酸铅 2.9g Ba-St 0.9g Ca-St 0.6g H-St 0.7g CaCO 3 8.9g 原材料应干燥不含有强腐蚀强磨损性组份, 材质和粒度均匀, 粒径小于 3.2mm 四实验设备及实验条件实验主要采用 HAAKE 微处理控制转矩流变仪 ( 系统 40 型 ) 测量塑料熔体的塑化曲线实验条件控制与材料性质实验目的有关实验条件包括加料量温度转速和时间 (1) 加料量 31

实验开始物料自混合器上部的加料口加入混合室, 受到上顶栓对物料施加的压力, 并且通过转子外表面与混合室壁间的剪切搅拌挤压 ; 转子之间的捏合撕拉 ; 转子轴向间的翻捣捏炼等作用, 以连续变化的速度梯度和转子对物料产生的轴向力的形式, 实现物料的混炼塑化显然混合室内的物料量不足, 转子难于充分接触物料, 达不到混炼塑化的最佳效果反之, 加入的物料过量, 部分物料集中于加料口不能进入混合室混炼塑化均匀或出现超额的阻力转矩, 使仪器安全装置发生作用, 停止运转, 中断实验若实验过程中, 去除上顶栓对物料施压作用, 仪器转矩值变化不突出时, 说明加料量基本合适加料量应由混合室空腔容容积转子容积物料 ( 固体或熔体 ) 的密度以及相应的加料系数来计算确定此外, 为了保证测度准确性和重现性, 原料的粒度和材质也应均匀 (2) 温度与转速混合器加热温度一般取作物料的熔融温度或成型温度, 如果选择的温度过低出现超额的阻力转矩会造成安全装置发生作用, 使仪器停止运转而温度过高时, 高聚物的链段活动能力增加, 体积膨胀, 分子间相互作用减小, 流动性增大, 粘度随温度提高而降低物料在混炼塑化过程中的微小变化不易显示出来, 由此影响测试的准确性对于 PS PVC PC 等高聚物, 因为粘流活化能很大, 熔体粘度对温度十分敏感, 增高温度可以大大降低熔体的粘度, 应注意温度的控制与调节, 使测试结果准确可靠一般来说, 用近于生产条件的成型温度螺杆转速作为测试仪器的加热温度转子转速的条件下, 所得到的物料转矩温度时间曲线更能预测或说明制品成型过程中发生的问题此外, 用动态热稳定性实验研究材料热稳定效果时用较高的温度和转速, 使分解反应在较短时间内发生, 则可以缩短实验的时间对于不同的高分子材料和不同的实验目的必须选择最佳的条件, 以求得可靠的实验结果 (3) 时间混炼时间应根据高分子材料的耐热性实验观察现象出现的时间区域等因素确定一般来讲, 仅实验材料的加工流动性时, 实验时间设定为 5min 内即可四实验步骤 (1) 准备工作 1) 了解转矩流变仪的工作原理技术规格和安装使用清理的有关规定 2) 根据实验需要, 将所用的混合器与动力系统组装起来 3) 接通动力电源和压缩空气稳定电源电压在 220V+10V 4) 按下式计算加料量, 并用天平准确称量 W 1 =(V 1 -V 0 ) ρ a 0 式中 W 1 加料量 (g) V 1 混合器容积 (cm 3 ) V 0 转子体积 (cm 3 ) ρ 原材料的固体或熔体密度 (g/cm 3 ) a 0 加料系数, 按固体或熔体密度计算分别为 0.65 0.80 (2) 测试操作 1) 启动转矩流变仪的微机及动力系统, 按照输入程序, 使用 S 指令把标题加热温度转子转速运行控制参数显示指令代码等实验条件输入微机处理 2) 当显示的温度偏差为 0 时, 表示混合器加热已达到规定的温度接通电机, 加入被测试试样, 开启打印机, 开始实验当达到指令编定的时间时, 实验自动停止 3) 将磁盘插入磁盘驱动器, 使用 W 指令, 贮存全部的实验数据 32

4) 拆卸清理干净混合器, 为再次实验作好准备五实验结果 (1) 数据整理 1) 把系统 40 程序及贮存实验数据的两磁盘分别插入一号二号磁盘驱动器, 用 T 指令, 阅读存入的实验数据 2) 使用 R 指令, 输入欲得实验数据的起止时间和显示数据的间隔时间, 得到实验数值表, 用 P 指令打印出来 3) 使用 A 指令, 输入欲得实验图形的起止时间和图形 X Y Z 轴表征的实验参数, 得出实验图, 用 P 指令打印出来 (2) 实验结果表述 1) 写出转矩流变仪测试高聚物流变性的原理及测试时的各项实验条件 2) 以实验所得数值图形为例, 讨论在高聚物结构研究材料配方选择成型工艺条件控制成型机械及模具设计等方面的应用六实验报告实验报告应包括下列内容 : (1) 实验名称要求和实验原理 ; (2) 实验仪器原材料名称型号生产厂商 ; (3) 实验操作步骤 ; (4) 实验条件 ( 标准 ) 和实验结果表述 ; (5) 解答思考题七思考题 1. 塑化曲线上的各拐点极值点和平台代表什么意义? 2. 如何确定实验时间, 如果在 190 下, 实验时间延长至 20min, 会出现什么现象? 塑化曲线会如何变化? 3. 从测试物料及实验过程如何保证实验结果的可靠性? 4. 试比较毛细管流变仪和转矩流变仪各自的特点 2.4 热塑性塑料熔体流动性热塑性塑料熔体流动性是塑料本性在熔融流动状态下的反映了解热塑性塑料熔体流动性对指导熔融成型加工塑料, 如设计模具结构选择成型机械确定成型工艺参数有重要作用热塑性塑料熔体流动性可用熔体粘度特性粘数流变曲线熔体流动速率 ( 熔体指数 ) 标准螺旋形流道流动长度等参数函数或技术指标的测定加以表征其中熔体粘度特性粘数测定和流变曲线实验在材料及其成型加工应用研究中广泛被使用, 而熔体流动指数和标准螺旋形流道流动长度测定普遍应用于工业生产 2.4.1 熔体流变曲线一实验目的通过本实验使学生了解高分子材料熔体流动变形特性以及随温度应力材料性质塑化性能变化规律, 掌握由高分子材料流变特性拟定成型加工工艺的方法, 熟悉毛细管流变仪测定高分子材料流变性能的原理及操作二实验原理塑料熔体流变性有多种测定方法通常随使用的仪器类型而不同用于测量流变性能的 33

仪器一般称为流变仪, 有时又叫粘度计, 其类型按施力的状况主要有落球式转矩式和毛细管挤出式等几种, 这些不同类型的仪器, 分别适用于不同粘性流体在不同剪切速率范围的测定各种流变仪测定的剪切速率和粘度范围如表 2.4-1 所示表 2.4-1 几种流变仪适用范围流变仪粘度范围 (Pa s) 剪切速率 (s -1 ) 毛细管挤出式旋转圆筒式旋转锥板式平行平板式落球式 10-1 ~10 7 10-1 ~10 11 10 2 ~10 11 10 2 ~10 3 10-3 ~10 3 10-1 ~10 6 10-3 ~10 1 10-3 ~10 1 极低极低在测定和研究塑料熔体流变性的各种仪器中, 毛细管流变仪是一种常用的较为合适的实验仪器, 它具有多种功能和宽广范围的剪切速率容量毛细管流变仪既可以测定塑料熔体在毛细管中的剪切应力和剪切速率的关系, 又可以根据挤出物的直径和外观或在恒定应力下通过改变毛细管的长径比来研究熔体的弹性和不稳定流动 ( 包括熔体破碎 ) 现象 ; 从而预测其加工行为, 作为选择复合物配方寻求最佳成型工艺条件和控制产品质量的凭借 ; 或者为辅助成型模具和塑料机械设计提供基本数据毛细管流变仪测试的基本原理是 : 设在一个无限长的园形毛细管中, 塑料熔体在管中的流动为一种不可压缩的粘性流体的稳定层流流动 ; 毛细管两端的压力差为 P, 由于流体具有粘性, 它必然受到自管体与流动方向相反的作用力, 通过粘滞阻力应与推动力相平衡等流体力学过程原理的推导, 可得到管壁处的剪切应力 (τ w ) 和剪切速率 (γ m ) 与压力熔体流率的关系 τ w = RΔP 2L 式中 R 毛细管的半径 (cm) L 毛细管的长度 (cm) P 毛细管两端的压力差 (Pa) 4Q γ w = 3 πr 式中 Q 熔体容积流率 (cm 3 /s) 由此, 在温度和毛细管长径比 (L/D) 一定的条件下, 测定在不同的压力下塑料熔体通过毛细管的流动速率 (Q), 由流动速率和毛细管两端的压力差 P, 可计算出相应的 τ w 和 γ w 值, 将一组对应的 τ w 和 γ w 在双对数座标纸上绘制流动曲线图, 即可求得非牛顿指数 (n) 和熔体的表观粘度 (η a ); 改变温度或改变毛细管长径比, 则可得到代表粘度对温度依赖性的粘流活化能 (Eη); 以及离模膨胀比 (B) 等表征流变特性的物理参数但是, 对大多数塑料熔体来说都属于非牛顿液体, 它在管中流动时具有弹性效应壁面滑移和流动过程的压力降等特性况且在实验中毛细管的长度都是有限的, 由上述假设推导测得的实验结果将产生一定的偏差为此, 对假设熔体为牛顿流体推导的剪切速率 γ w 和适 34

用于无限长毛细管的剪切应力 τ w 必须进行非牛顿改正和入口改正, 方能得到毛细管管壁上的真实剪切速率和真实剪切应力不过, 改正手续较繁复, 工作量很大, 如若毛细管的 L/D>40, 或该测试数据仅用于实验对比时, 也可不作改正要求三原材料试样热塑性塑料及其复合物粉料粒料等根据塑料类型按相应规定进行干燥处理本次实验试样采用低密度聚乙烯粒料,MFR=1~5g/10min 四实验设备 (1) 毛细管流变仪本实验采用 HAAKE 微机控制转矩流变仪及其 Ф25 单螺杆挤出机和不同长径比的毛细管口模进行实验所测塑料在单螺杆挤出机中熔融塑化后被输送, 并通过毛细管口模挤出当塑料熔体通过毛细管口模时, 由安装在毛细管口模入口处的压力传感器和热电偶, 测试出熔体的压力和温度, 微机记录下熔体压力和温度数值并显示打印出来毛细管规格为 : 直径 0.05 寸 (1.27mm), 长径比 (L:D):15:1 20:1 30:1 和 40:1 其主体结构如图 2.4-2 所示图 2.4-2 哈克转矩流变仪工作示意图 (2) 其它实验用具天平 1 台, 感量 0.1g; 秒表 1 个 ; 游标卡尺, 最小分度 0.02mm 五实验步骤 (1) 准备工作 1) 阅读 HAAKE 微机控制转矩流变仪说明书, 了解其工作原理技术规格和安装使用清理等有关规定 2) 把 Ф25 单螺杆挤出机安装在 HAAKE 微机控制转矩流变仪动力系统的支架上, 再把毛细管口模紧密安装在挤出机上 3) 把压力传感器测试熔体温度的热电偶安装在毛细管口模上, 并连接好所有插头 (2) 实验操作 1) 启动 HAAKE 微机控制转矩流变仪的微机及动力系统, 按实验要求设定所有的实验参数 2) 当达到指定温度 ( 显示的温度偏差为 0) 时, 恒温 15min, 并校正流变仪系统和压力传感器 3) 启动挤出机, 将螺杆转速调至 10rpm, 加料, 当挤出条件达到平衡时, 开启打印机, 开始实验, 记录实验数据取样, 测试塑料熔体的质量流速 (g/min) 收集挤出物, 观察外形, 测量直径 35