转矩流变仪在PVC产品加工中的应用

中田塑料加ｊ二１业济会塑料管道专业委员会２００８年年会转矩流变仪在ＰＶＣ产品加工中的应用ＴｏｒｑｕｅｒｈｅｏｍｅｔｅｒｉｎＰＶＣｐｒｏｄｕｃｔｓｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ浙｝Ｉ砷财管道科技股份仃限公司ＰＶＣ产品生户中，如何提高符理水平，提高ＰＶＣ产晶质量，关系到企业的生存与发展。借助先进的高科拄设备进行产＾＾的跟踪、榆测Ｌ经被越来越多的∞『ｋ所认识，转矩流变仪的出现满址了这种需要，将不可见的Ｐｖｃ混合料熔体状态客观地反映ｍ来，指导了Ｐｖｃ产品生产与质量管理。ｌ转矩流变仪的初步介绍转矩流变仪是一种综合性聚☆物材料流变性能测量设符，是了解配方及树脂混台物塑化特性及加丁性最常使用的仪器，它能使我们了解树脂混台物在加工时由吲志逐渐变成岛弹态、＃－流态的流娈特性，并且足选扦原料和口Ｅ方设计、改进工艺条什的简便快捷的苴；验ｒ段，转矩流娈仪曲线上的特性参数ｕｒ以直接用ｊ环同＾Ｃ方及Ｊ二艺条件和加上性能的比较；其突出特点址能在接近直实加Ｌ条件Ｆ，对村抖的流变行为进＿＝亍研究。转矩流变仪的坌『【成，如图Ｉ所小¨Ｉｌ图１流娈仪图样２流变过程及流变曲线特性参数分析ｐｖｇｔ物料的流娈特性分为６个区问、４个峰反映出来，他们分为０Ａ【！、Ａ—Ｂ区，Ｂ—ｃＫ、Ｃ－ＤＭ、Ｄ－ＥＩｘ、ＥＦＫ、加料峰、最小峰、最高峰、分解峰。涉搜１１个参数．它们是加料扭矩及时川、蛙低扭＊，及ｌ卜ｆ问、蛀高扭矩及时问、平衡扭＿，及时问、分解扭扣及时可、塑化时间，下面简单介绍整个流变过程。在０＾区，物料投入到流娈仪混炼室内时间，ＪＩ有转了转动．无负荷加钱，宏观上松散的物料正在受热，此时蓬松状态的物料体积大干混炼器内腔体积。在＾ＢＫ，压锤向混炼室中的物料逐渐加压，将蓬松状态的物料在混炼器内逐渐被压实，此时中国塑料加工工业协会塑料管道专业委员会２００８年年会物料处于固态，各个粒子发生相对滑动，形成较大的摩擦力，增加了对转子转动的阻力，反映到曲线上转矩急剧增加，当对物料的负荷加载结束时，即形成了加载峰尖，加料峰Ｂ点时阻抗最大，扭矩值最高，此时物料粒子没有发生化学变化。在Ｂ－Ｃ区由于稳定加载负荷后，在热与转子翻转、捏合作用下，各个粒子相对滑动减少，开始发生破裂而阻力下降，ＰＶＣ颗粒开始破碎成初级粒子，产生形变使体积逐渐缩小，物料微粒间隙空隙度逐渐减少，所占体积减少，使流变仪的混炼室中的自由空间逐渐增大、转子的阻力不断减少，反映到曲线上，转矩值从加载峰逐渐向下滑，Ｃ点时阻抗最小，扭矩值最低。在Ｃ—Ｄ区，由于外界加热作用，以及转子对物料施加的剪切作用，产生摩擦热，在这双重热量的作用下，树脂粒子逐渐融合成为均匀的熔体。此时，ＰＶＣ颗粒完全破碎成初级粒子，同时大部分颗粒破碎成一级粒子，使流变仪的混炼室中的自由空间逐渐减小、转子的阻力不断增大，反映到曲线上，转矩值从最小峰逐渐上升，形成熔融峰Ｄ，此时ＰＶＣ颗粒由初级粒子完全破碎成一级粒子及部分自由大分子链团。在Ｄ－Ｅ区，经过Ｄ点以后，物料的流动已由前段的树脂粒子的相对转动变成熔体的均匀变形，成为大分子链（链段间）的相对位移过程。ＰＶＣ一级粒子继续破碎，继续产生自由大分子链团，使大分子链缠结减少、自由运动增大，不可逆性形变逐渐增加，熔体流动性逐渐增加，高弹形变平衡值抵抗压锤的压力由大逐渐减少，反映到曲线是转矩值上下变化，并且这种梯度变化逐渐减弱，同时曲线向下滑。此时ＰＶＣ颗粒大部分一级粒子破碎成自由大分子链。在Ｅ－Ｆ区，随着外热与翻转、捏合的作用下，ＰＶＣ自由大分子更加活跃，与其他助剂进一步分散的同时流动性增加，转子的阻力降低，反映在曲线上转矩逐渐下降。当高弹形变恒定后，不可逆形变随时间持续进行达到稳定流动，反映在曲线上Ｆ点是稳定转矩（平衡扭矩），表明熔体粘滞阻力的大小，从Ｆ点开始曲线趋于平稳，而且Ｆ点到Ｔｄ点的距离越长，ＰＶＣ物料越稳定，动态热稳定性越好。图２典型流变曲线下面重点介绍，五个重要参数：加料扭矩、最低扭矩、最高扭矩、平衡扭矩和塑化时间・１４０・中国塑料加工工业协会塑料管道专业委员会２００８年年会加料扭矩：加料扭矩即加料峰所对应的扭矩，加料扭矩表示的是物料颗粒之间以及物料颗粒与金属表面的静摩擦值。加料扭矩～般很高都是因为静摩擦要大于动摩擦以及加料以后压料块和转子之间的物料被充分积压所引起的。最低扭矩：最低扭矩即加料峰和塑化峰之间的最低谷所对应的扭矩值，加料峰过后一方面因为物料颗粒之间以及物料颗粒与金属表面的摩擦由静摩擦转为动摩擦，而动摩擦系数较低，故扭矩较低，另一方面因为物料在密炼室内的均匀分布，使得压料块与转子之间的物料减少，压力降低使扭矩下降，同时更为重要的是ＰＶＣ颗粒表面的低熔点润滑剂已开始溶化，使得ＰＶＣ颗粒之间以及ＰＶＣ与金属表面之间的摩擦下降，这三种因素综合作用的结果使得扭矩降到最低而形成最低扭矩。最高扭矩：最高扭矩即塑化峰的最高点所对应的扭矩，又称塑化扭矩。在最低扭矩点，ＰＶＣ颗粒之间没有粘连，ＰＶＣ颗粒可以不受相邻颗粒的任何束缚而自由滑动，同时由于低熔点润滑剂的润滑作用使得物料颗粒之间以及物料颗粒与金属表面之间的磨擦降到最低。随着物料温度的进一步升高，加工助剂开始熔化，同时ＰＶＣ颗粒表层的分子也开始熔融，这样每个ＰＶＣ颗粒开始与相邻的颗粒发生粘连而形成一种三维立体结构，使得ＰＶＣ颗粒之间无法自由运动，同时ＰＶＣ颗粒之间的磨擦增加，技得扭矩逐渐增大而达到最大扭矩。塑化扭矩的产生是由于高弹态及粘流态树脂在剪切力的作用下，阻碍树脂形变而产生的力矩，它的大小反映到可塑性树脂形变的难易程度。扭矩越大，热塑性树脂混合物产生形变的难度就越大，也就说明加工越差。这就需要较高浔度和负荷更大的转动设备、消耗更多的机械能，使之变为能使树脂产生形变的动能，高分子链段重心才在剪切力作用下发生重心位移。平衡扭矩：最高扭矩过后，扭矩值平稳下降，降到某一点后扭矩值几乎不再随时间的变化而变化，此时的扭矩值即为平衡扭矩。最高扭矩过后，ＰＶＣ颗粒开始逐渐熔融为ＰＶＣ分子，ＰＶＣ颗粒的粒径和数量都在逐渐下降，因此ＰＶＣ颗粒之间的磨擦在下降。同时随着时间的推移，物料的熔体温度也在逐渐上升，这样就降低ＴＰＶＣ分子之间的摩擦力，另一方面各种润滑剂开始全面溶解，内润滑剂开始渗透至ＵＰＶＣ分子之间降低ＰＶＣ分子之间的摩擦力，更多的外润滑剂析出到熔体的表面降低ＰＶＣ熔体与金属表面的磨擦，上述几种因素的综合作用使得扭矩值从最高扭矩逐渐下降到平衡扭矩。到达平衡扭矩后，熔体的摩擦生热和散热基本平衡，熔体温度几乎不变，同时ＰＶＣ颗粒完全融化为ＰＶＣ分子，另一方面内润滑剂全部分散至ＵＰＶＣ分子之间，外润滑剂基本分散到熔体表面和金属表面之间，因此熔体内部的磨擦和熔体与金属之间的磨擦也达到平衡，扭矩值几乎不再变化，从而达到平衡形成平衡扭矩。熔合时间：塑化扭矩又称最大扭矩，它所对应的时间坐标减去加料的时间称为塑化时间，塑化时间表征塑化的快慢。３转矩流变仪在生产中的应用３．１实验条件的确立流变实验条件的确立要以生产实际为参考才有价值。・１４１・中国塑料加工工业协会塑料管道专业委员会２００８年年会在实验条件中需要确定的是原料的加入量。通常有两种方法，以质量记和以体积记。由于ＵＰＶＣ干混料存在一定的可压缩性，导致计量的不准确性，因此流变计量一般以质量为主。以质量计算流变实验的干混料加入量，一般以混炼室容积乘以密度，确定大致的质量，再以实验加以修正。加料量过多过少，都会对实验造成不小的误差。加料量太少，压杆没有压在干混料上，导致塑化时间过长，扭矩过小；相反如果加料量过多，塑化时间明显缩短，扭矩过大。据文献报道，当干混料表观密度相差０．０１５９／ｍｌ以上时，就应对加入质量进行修正。ＰＶＣ熟料的表观密度容易产生波动，如何准确地确立加入量要以各个厂的生产实际为准。如图３所示，加料量过小时曲线３的扭矩小，塑化时间明显增加；而加料量过多时如曲线ｌ所示塑化时间短扭矩长。这些现象跟实际生产中喂料量的多少是相符合的。图３混炼室加入量变化要确定转矩流变仪的温度和转速。当流变实验条件过高，温度高，转速快，导致塑化过快，不同配方之间的差距就会被缩小。在１８０℃时，所有配方的塑化时间相当，配方和配方之间的差距过小，很难分辨配方的差异性。另一个侧面说明在此温度和转数条件下，两者没有加工差异性。转矩流变仪所谓的温度和转速，应该跟实际生产中挤出机的料筒温度和螺杆转速对应。放大到实际生产中，在较高的挤出温度和合适的剪切强度下，这些配方的差异性不大，挤出温度降低或某系机台的剪切力产生加大差异时，配方的差异性就体现出来了。而有些配方则可以在这个实验条件下显示明显的差别来。当流变仪在为生产做服务时，根据本厂的设备情况确定实验条件也是很重要的。只有合适的流变条件才能更好地模拟和指导生产实践。・１４２・