实验10 塑料熔体流动速率的测定

实验10 塑料熔体流动速率的测定

1. 实验目的

了解热塑性塑料熔体流动速率与加工性能的关系，掌握熔体流动速率的测试方法。 2. 实验原理

熔体流动速率（MFR）的定义是热塑性树脂试样在一定温度、恒定压力下，熔体在10min内流经标准毛细管的质量值，单位是g/（10min），通常用MFR来表示。熔体流动速率以前称为熔融指数（MI）。 表征高聚物熔体的流动性好坏的参数是熔体的粘度。熔体流动速率仪实际上是简单的毛细管粘度计，结构简单，它所测量的是熔体流经毛细管的质量流量。由于熔体密度数据难于获得，故不能计算表观粘度。但由于质量与体积成一定比例，故熔体流动速率也就表示了熔体的相对的粘度量值。因而，熔体流动速率可以用作区别各种热塑性材料在熔融状态时的流动性的一个指标。对于同一类高聚物，可由此来比较出分子量的大小。一般来说，同类的高聚物，分子量愈高，其强度、硬度、韧性、缺口冲击等物理性能也会相应有所提高。反之，分子量小，熔体流动速率则增大，材料的流动性就相应好一些。在塑料加工成型中，对塑料的流动性常有一定的要求。如压制大型或形状复杂的制品时，需要塑料有较大的流动性。如果塑料的流动性太小，常会使塑料在模腔内填塞不紧或树脂与填料分头聚集(树脂流动性比填料大)，从而使制品质量下降，甚至成为废品。而流动性太大时，会使塑料溢出模外，造成上下模面发生不必要的黏合或使导合部件发生阻塞，给脱模和整理工作造成困难，同时还会影响制品尺寸的精度。由此可知，塑料流动性的好坏，与加工性能关系非常密切。在实际成型加工过程中，往往是在较高的切变速率的情况下进行的。为了获得适合的加工工艺，通常要研究熔体黏度对温度和切变应力的依赖关系。掌握了它们之间的关系以后，可以通过调整温度和切变应力(施加的压力)来使熔体在成型过程中的流动性符合加工以及制品性能的要求。由于熔体流动速率是在低切变速率的情况下获得，与实际加工的条件相差很远，因此，熔体流动速率的应用上，主要是用来表征由同一工艺流程制成的高聚物其性能的均匀性，并对热塑性高聚物进行质量控制，简便地给出热塑性高聚物熔体流动性的度量，作为加工性能的指标。例如表2－11是国产不同牌号的低密度聚乙烯的熔体流动速率与性能和用途说明。表2－12是某些加工方法适宜的熔体流动速率值。

表2－11 国产不同牌号的低密度聚乙烯的熔体流动速率与性能和用途情况比较

牌号 ⅡA-1 熔体流动速率 2 密度ρ/(g.cm-3) 0.921 性 能 和 用 途 加工性能好、耐压、耐冲击、可注塑，模塑，制管材 加工性能好、耐冲击、光泽好，可注塑，模塑，制中空制品 流动性好、有光泽。柔软性特好，可注塑，制塑料花 Ⅱ20A 20 0.920 Ⅱ50A 50 0.916

表2－12 某些加工方法适宜的熔体流动速率值 加工方法 产 品 所需材料的MFR 管材 片材、瓶、薄壁管 电线电缆 挤出成型 薄片、单丝（绳） 多股丝或纤维 瓶（玻璃状物） 胶片（流延薄膜）

＜0.1 1～0.5 0.1～1 0.5～1 约1 1～2 9～15 注射成型 涂布 真空成型 模压制件 薄壁制件 涂敷纸 制件 加工方法 产 品 所需材料的MFR 1～2 3～6 9～15 0.2～0.5

由于熔体流动速率仪结构简单、价廉、操作简便，对于某一个热塑性聚合物来说，如果从经验上建立起熔体流动速率与加工条件、产品性能的对应关系，那么，用熔体流动速率来指导该聚合物的实际加工生产就很方便，因而熔体流动速率的测定在塑料加工行业中得到广泛的应用，熔体流动速率的测定使用熔体流动速率测定仪。国内生产的热塑性树脂(尤其是聚烯烃类)一般都附有熔体流动速率的指标。这些指标都是按照规定的标准试验条件来测试的。因为相同结构的聚合物，测定熔体流动速率时所用的试验条件(温度、压强)不同，所得的熔体流动速率也不同。所以，要比较相同结构的聚合物的熔体流动速率，必须在相同的测试条件下进行。表2—13是各种塑料熔体流动速率测定的标准条件(ASTM D－1238)。熔体流动速率的国家标准为GB/T 3682。

表2－13 各种塑料熔体流动速率测定的标准条件(ASTM D－1238) 条件 温度/ ºC 荷重/g 压力/ （㎏f·㎝） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 －

-2①适用塑料 125 125 190 190 190 190 150 200 230 230 190 265 230 190 190 310 275 235 235 235 325 2160 325 2160 21600 10600 2160 5000 1200 3800 5000 12500 2160 2160 1050 1200 325 1000 2060 5000 0.46 3.04 0.46 3.04 31.40 14.06 3.04 7.03 1.69 5.34 7.03 17.58 3.04 3.04 1.48 1.69 0.46 1.41 3.04 7.03 聚乙烯 纤维素酯 聚醋酸乙烯酯 聚苯乙烯 ABS树脂 丙烯酸树脂 聚三氟乙烯 聚丙烯 聚甲醛 聚碳酸酯 尼龙 ①1kgf﹒cm2=9.806×104Pa。

3. 实验设备和材料

本实验使用国产的XRZ－400型熔体流动速率测定仪。其主要由主体结构和加热控制两部分组成。 （1）主体结构

主体结构（图2－44）是仪器的关键部分。它包括以下几个方面： 1）料筒 长度为160mm，内径9.55±0.02mm。 2）压料杆（包括压料杆头） 总长（210±0.1）mm，直径（8.99<9<9.02）mm，压料杆头长为6.5mm，直径为9.550mm，压料杆头与料筒间隙为（0.75±0.015）mm。 3）毛细管 外径（9.49< 9.55<9.58）mm，内径（2.095±0.005）mm和（1.18±0.01）mm两种，高度皆为（8.000±0.025）mm。 （2）加热控制系统

1）加热炉体 由圆柱黄铜成，中间有放料筒的长孔，铜体四周垫有绝缘云母片并绕以电炉丝通电加

热。铜体上有三个偏心孔，其中一个放置铂电阻，与炉外的桥路相连接，提供控制温度的电讯号；另一个安置测温热电偶，与直读式数字温度计连接，用来监视炉体的温度。 2）控温定值电桥 由精密多圈电位器、线绕电阻、铂电阻组成。 3）控温电路 采用高精度低漂移5G 7650运算放大器并有PID自动校正电路，脉冲触发及可控硅执行元件对加热体供电，达到自动控制温度的目的。

图2—44 国产XRZ－400型熔体流动速率测定仪主体结构

本实验所用材料为聚苯乙烯粒料。 4. 实验步骤

（1）试样：聚苯乙烯粒料4g。

（2）实验条件：温度190℃，荷重5000g，压强7.03kg／cm2 。 （3）试验步骤：

1）检查仪器是否清洁且呈水平状态。

2）将毛细管及压料杆放入预先已装好料筒的炉体中。

3）开启电源，升温到试验温度（190±0.1）℃后恒温10min。所控温度数值由标有“控温定值”的精密多圈电位器来调节，旋转一圈为50℃。炉温以面板上的数字显示表指示。当未达到所需温度时，电流表上的电流大于1.5A。当到达所控温度后，电流降为零，以后经几次波动，直至小于1.0A的某一数值而稳定下来，此时数字温度计就稳定显示于±0.1℃范围。

4）将预热的压料杆取出，把称好的试样用漏斗加入料筒内，放回压料杆，固定好导套，并将料压实。整个加料与压实过程需在1min内完成。试样用量取决于MFR的大小。一般加料量在一定范围内对结果影响不大。可参考表2－14。

表2－14 熔体流动速率与试样用量及切样间隔时间的关系 MFR/（g·min-t） 0.15~1.0 1.0~3.5 3.5~25 试样用量/g 2.5~3.0 3.0~5.0 4.0~8.0 切样间隔时间t/s 180~310 20~60 5~31

5）试样装入后，用手压使活塞降到下环形标记，切弃去流出试样，这一操作要保证活塞（压料杆）下环形标记在5min 30s时降到与料口相平。5min 30s时开始加负荷，6min开始切割，弃去6min前的试样，保留连续切取的无气泡样条3～5个。取样毕，将料压完，卸去砝码。

6）取压料杆和毛细管，趁热用软纱布擦干净，毛细管内余料用专门的顶针清除，把清料杆安上手柄，挂上纱布，边推边旋转清洗料筒，更换纱布，直到料筒内壁清洁光亮为止。 7）取5个无气泡的切割段分别称量（准确到mg）。若最大值与最小值超过平均值的10％，则需要重新取样进行测定。 5. 实验处理

熔体流动速率按下式求出： MFR=（m×600）/t (g/10min) 式中：m为5个切割段的平均质量（g），t为每切割段所需时间（s）。 6. 问题与讨论

（1）对于同一聚合物试样，改变温度和剪切应力对其熔体流动速率有何影响？

（2）聚合物的熔体流动速率与分子量有什么关系？熔体流动速率值在结构不同的聚合物之间能否进行比较？