简式拖曳式流变仪的测试应用

第五节　简式拖曳式流变仪的测试应用

为检测简式拖曳式流变仪测定数据的可信性，本节分别采用简式拖曳式流变仪与孟山都流变仪测试甲基乙烯基硅橡胶流变参数。

一、孟山都流变仪测定实验

用作对比的孟山都毛细管流变仪原理如下：考虑不可压缩的流体在内半径为R的圆管中的稳定层流，管长取L，流体两端压强差为Δp，r为管中任一点至管中心线的距离（图4-11）。由力的平衡方程可得：

可求出管壁上的剪应力为：

材料的表观剪应变速率为：

由于管壁处（r＝R）没有滑动，即v＝0，以此为边界条件，对r积分得线速度的分布为：

对r做整个曲面的积分可得体积流速Q：

从而可求出管壁上的表观剪应变速率为：

非牛顿流体的剪应变速率可由Rabinowitsch非牛顿较正公式得到：

式中：n为应力指数。

由式（4-35）可知，对有橡胶等假塑性流体，n＞1，其切应变速率大于其表观切应变速率。其中n也是通过lg-lgτ用作图法求出。

本次测试所用的孟山都毛细管流变仪主要功能部分的结构如图4-12，所选用的毛细管主要参数如表4-6。

图4-11　毛细管示意图（周彦豪，1988）D.绕流阻力；F.推动液柱的力

图4-12　毛细管流变仪结构简图

（据周彦豪，1988）

表4-6　对比实验所用孟山都毛细管流变仪毛细管参数指标

用作对比实验的材料为甲基乙烯基硅橡胶B，实验数据记录如表4-7。

表4-7　甲基乙烯基硅橡胶B（30℃）实验数据记录

从上述实验数据（图4-13、图4-14、表4-7）可知，硅橡胶B在30℃切应变速率区间1.94～7.78s^-1上，其应力指数为2.05，表观黏度随切应变速率的增加而下降，表现出伪塑性流体的性质。

图4-13　甲基乙烯基硅橡胶B剪应力-剪应变速率双对数曲线

图4-14　甲基乙烯基硅橡胶B表观黏度-剪应变速率

二、简式拖曳式流变仪测定实验

用简式拖曳式流变仪测定材料参数仪器操作相对简单，主要操作步骤如下：

（1）将材料装入料筒；

（2）把纸带放在打点器上，并与连接小球的钢丝粘好；

（3）接通电源；

（4）加载；

（5）关闭电源，取下纸带；

（6）结果计算。

改变加载量，重复上述过程，并给纸带编号，可以得到一系列切应力-切应变速率值。打点计时器打下的纸带记录了小球的运动过程，据此能计算小球稳定运动时材料的剪应变速率。典型的纸带记录样式如图4-15。

由图4-15可知，小球的运动可分为三个阶段：初始阶段位移对应图中的S₁；稳定运动阶段对应图中的S₂；不稳定阶段对应图中的S₃。

数据处理过程如下：

（1）量出S₂的长度，求出小球稳定时的运动速度，依公式（4-27）求出；

图4-15　打点计时器记录的纸带样式

（2）依公式（4-26）求出τ；

（3）依公式ηa＝τ/计算表观黏度ηa；

（4）对测得的与τ，作lg-lgτ双对数图，求出应力指数n。

用简式拖曳式流变仪测定甲基乙烯基硅橡胶流变参数的结果如表4-8。

表4-8　甲基乙烯基硅橡胶（30℃）流变参数测定数据记录

从图4-16、图4-17和表4-8可知，用简式拖曳流变仪测定的硅橡胶B在30℃，且剪应变速率区间1.35～5.11s^-1上时，应力指数为2.12，表观黏度随剪应变速率的增加而降低，表现出伪塑性流体的性质。

图4-16　甲基乙烯基硅橡胶B剪应变速率-剪应力双对数曲线

图4-17　甲基乙烯基硅橡胶B表观黏度-剪应变速率曲线

三、讨论与小结

从上述对比实验可知，在同一温度下和相近的切应变速率区间上，用孟山都毛细管流变仪和简式拖曳流变仪测出的硅橡胶B的应力指数相差较小，但用后者测出的表观黏度偏大。究其原因，认为主要有三点：①后者未作非牛顿校正，致使测量值较实际值偏大；②孟山都毛细管流变仪在工作过程中，使材料温度升高了，测定出来的表观黏度值偏小；③简式拖曳流变仪精度不够。同时，由对比实验测试结果（表4-7、表4-8、图4-14、图4-17）可知，用简式拖曳式流变仪测定的材料表观黏度与“真实值”的差距在可以接受的范围内。认为后续研究应着重测量数据的非牛顿校正误差估计；并优化改进该流变仪的硬件。