專利名稱：測量廣義牛頓流體唯一真實黏度的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及實驗型聚合物性能測試?yán)碚摷靶阅軠y試裝置和方法，特別涉及一種聚合物成型加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
根據(jù)麥克斯韋粘彈性理論模型，大多數(shù)屬于假塑性流體的高分子材料，既具有粘性，又具有彈性。但目前的高聚物的粘度測量方法中，比如采用毛細(xì)管流變儀、錐板流變儀，都是直接測聚合物在流動狀態(tài)下的剪切粘度，所以，拉伸粘度是高聚物不可忽視的一個性質(zhì)。在工業(yè)生產(chǎn)中，拉伸性能有時也會是聚合物加工的主要決定因素之一，比如在紡絲、精密擠出、薄膜壓延以及細(xì)管產(chǎn)品的加工，聚合物的拉
伸粘度都將直接影響產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度和精密程度。所以，對于研究聚合物熔體的拉伸性能具有重要的意義和廣闊的市場空間。然而，在現(xiàn)實的流動中，往往是剪切和
拉伸共存的狀態(tài)，要產(chǎn)生一個純的拉伸力場是比較困難的。關(guān)于拉伸性能的研究一
直持續(xù)到現(xiàn)在，但是，在90年代的A1、 M1及S1工程研究中，最后所得的結(jié)論都不一樣，呈雜亂無章的趨勢(參考N.E. Hudson and T.E.R. Jones, The Al project-anoverview [J], J. Non-Newtonian Fluid Mecha. 46(1993)69-88)，這時就產(chǎn)生了一種所謂即含剪切又含拉伸的過渡黏度。
既然無法得到一種純的拉伸流動，W.N.Song博士曾提出一種在復(fù)合流動狀態(tài)下測量真實粘度的方法，通過第二不變量來衡量粘度值(參考W.N. Song and Z.M.Xia， A phenomenogical viscosity model for polymeric fluid [J], J. Non-Newtonian F'luidMecha., 53(1994)151-163)。即聚合物熔體的真實粘度
Song認(rèn)為，不管是純剪切，還是純拉伸流動，都不是現(xiàn)實的聚合物流體流動，只是兩種極端的情況，因此，測量其中任何一個粘度都不能全面表征聚合物的流動特性。應(yīng)該從真實粘度的角度出發(fā)，既測量其拉伸粘度，又測量其剪切粘度，即由公式(1)所表征的粘度值。
根據(jù)粘度與第二不變量的關(guān)系，在拉伸與剪切的復(fù)合流動中，如果"，T，^^能夠測得到，則其真實粘度可以計算。
D.F.James教授及G.M.Chandler曾經(jīng)設(shè)計過一個恒拉伸速率的流道來研究拉伸黏度(參考D.F. James and G.M.Chandler， J. Non-Newtonian Fluid Mecha.,35(1990)421-433)，其收縮流道的曲線方程為
及20-c;) = c2 (2)其中，q、 &為待定常數(shù)，w、 z分別為流道半徑坐標(biāo)及縱軸坐標(biāo)。其流道中
心軸線上的拉伸速率為
當(dāng)流率g及模型確定以后，拉伸速率就恒定不變。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，通過提供一種計算聚合物真實黏度的理論方法及相應(yīng)的實驗裝置，以實現(xiàn)對聚合物黏彈性的真實反映。
本發(fā)明是釆用以下技術(shù)手段實現(xiàn)的一種測量廣義牛頓流體唯一真實黏度的方法，該方法涵蓋反映聚合物熔體或溶液的黏性的粘度和反映材料的拉伸黏度；步驟l、計算聚合物熔體的真實粘度
步驟2、計算收縮流道內(nèi)壓力傳感器心軸線上的拉伸速率步驟3、計算剪切速率；步驟4、計算剪切應(yīng)力。
前述的拉伸速率為壓力傳感器心軸線上的拉伸速率包括壓力傳感器圓柱體上端中心軸線上的熔體速度；壓力傳感器截面上的熔體的平均速度；經(jīng)過壓力傳感器圓柱體上端處截面的體積流率(ww3");壓力傳感器圓柱體上端處截面直徑；從
坐標(biāo)原點到壓力傳感器圓柱體上端的距離；
前述的流體的黏度是唯一的，所述的黏度包括剪切黏度和拉伸黏度，剪切黏度 和拉伸黏度各表征流體黏度性能的一個方面。
前述的建立廣義牛頓流體唯一真實黏度的黏度模型，黏度模型與稠度m和冥律 指數(shù)n無關(guān)。
前述的黏度測量的應(yīng)變速率范圍可以調(diào)節(jié)；改變機(jī)頭口模的直徑，測量高應(yīng)變 速率下的真實黏度。
一種測量廣義牛頓流體唯一真實黏度的裝置，該裝置由機(jī)頭、可視化料筒、活
塞螺桿、伺服電機(jī)及位置傳感系統(tǒng)組成，機(jī)頭內(nèi)部流道呈連續(xù)漸變收縮形狀，活塞 螺桿具有軸向?qū)虿劢Y(jié)構(gòu)。
前述的聚合物溶液體或熔體經(jīng)過加料裝置進(jìn)入可視化料筒，在所述的伺服電機(jī) 驅(qū)動下，所述的活塞螺桿勻速下壓物料從機(jī)頭擠出，采集流動過程中的壓力信號， 進(jìn)入計算機(jī)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，計算真實黏度。
前述的當(dāng)流體以大雷諾數(shù)流經(jīng)機(jī)頭內(nèi)流道時，其中心軸線上拉伸速率恒定不 變，可以計算純拉伸黏度；在料筒壁面上只有剪切作用，可以計算純剪切黏度。
前述的裝置為智能控制，所述的位置傳感系統(tǒng)控制活塞螺桿的位移，并實時采 集數(shù)據(jù)，導(dǎo)入PC進(jìn)行真實黏度計算。
本發(fā)明測量廣義牛頓流體唯一真實黏度的裝置和方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，有著 明顯的優(yōu)勢和有益效果
能夠全面真實反映流體的黏度性能，而不僅是側(cè)重剪切性能或拉伸性能的一方 面。剪切黏度和拉伸黏度是該黏度模型中兩個特殊情況的表征。對于牛頓流體，滿 足Trouton規(guī)律。能夠表征高應(yīng)變速率的流變行為。該黏度模型與流動指數(shù)m、 n 無關(guān)，具有相對廣的通用性。采用恒拉伸速率的流道，流體流動的拉伸速率主要由 流道的幾何參數(shù)及流率控制，具有準(zhǔn)確穩(wěn)定的拉伸速率。采用滾珠絲杠傳動，并由 伺服電機(jī)驅(qū)動，能實現(xiàn)擠出速率的穩(wěn)定控制。具有精確計量加料的特性。壓力通過 兩個幾乎在一個平面上下位置的壓力傳感器測出，兩傳感器在Z軸向的安裝位置上 相差1 3個毫米。對現(xiàn)行的流變儀的不足提供了一種能夠全面反映聚合物熔體或溶液的黏性的粘度模型，其特點在于該模型既能反映材料的剪切黏度，又能反映材料 的拉伸黏度，有效的解決了拉伸黏度和剪切黏度的統(tǒng)一性問題。


圖1為聚合物熔體的流道示意圖2為熔體在某一截面的速度曲線示意圖3為單元dz的示意圖4為熔體在dz微元內(nèi)流動的受力示意圖5為聚合物真實黏度測量的實驗流變儀示意圖。
其中，1伺服電機(jī).、皮帶傳動部件，2絲杠傳動結(jié)構(gòu)，3進(jìn)料口、加熱套，4儲 料筒、加熱套，5活塞，6收縮流道、加熱套。
具體實施例方式
下面通過實施例對本實驗新型進(jìn)行具體描述；
本發(fā)明的理論計算方法可應(yīng)用于流變儀測量計算，對現(xiàn)行的流變儀的不足提供 了一種能夠全面反映聚合物熔體或溶液的黏性的粘度模型，該模型既能反映材料的 剪切黏度，又能反映材料的拉伸黏度，有效的解決了拉伸黏度和剪切黏度的統(tǒng)一性 問題。
(一)本發(fā)明的方法理論如下
根據(jù)前述的公式(1)，只需要求出^,r,六^就可以得到材料的真實黏度。
(1)拉伸速率的確定
根據(jù)公式(2)式，有一收縮流道如圖l所示，在tapl、 tap2、 t叩3三處安裝壓力
傳感器，并得到心軸線上的拉伸速率
.4g 廠
其中[/——tap3處中心軸線上的熔體速度；
r——^tap3處截面上的熔體的平均速度；
G——經(jīng)過t叩3處截面的體積流率(ww3 O );
D——t叩3處截面直徑；
/——從坐標(biāo)原點到tap3處的距離。
假設(shè)熔體均勻穩(wěn)態(tài)流動，且不可壓縮；壁面無滑移；在壓力差恒定后，流率 保持不變；壓力僅為z的函數(shù)。
當(dāng)坐標(biāo)固定后，可以確定常數(shù)q、 q及曲面的方程，且/ = 23-^, " = 2i 3，而 流率由活塞移動的速度確定，這樣，借助(4)式，我們就可以得到收縮曲面段中 心軸線上的拉伸速率。
(2)剪切速率的計算
至于剪切速率的計算，正如前面所說，我們只能測出壁面處的剪切速率共
—丄A + ,) (6)
故只需要求出速度的方程即可。
在上面的假設(shè)條件下，恒應(yīng)變速率段在任何一點z-;上，存在連續(xù)性方程
,
'g = 27T J"、'O，z0) r(>0>** (7)
o
幾何邊界條件W2(Z-Cl) = C2
在2 = 2。的截面上，其速率曲線可假設(shè)為如圖2的拋物線 因此，在中心軸線處，其速度值最大；而在壁面處，速度為0。
由于流動的連續(xù)性，在任何一個；處，其流率應(yīng)與前者保持一致，故
2'=/v('',z)*" = 2;rJV(r,z)*n/ir ~ /0，z) = g (9) 這里，由于無、去得到速度的為體表達(dá)式，假設(shè)速度曲線方程為v = W+，z (10)
其中，v-----速度
r -----半徑方向的坐標(biāo) z -----軸向坐標(biāo) -待定常數(shù) 將(10)式代入(9),積分
ec=2;rz。(>4+>2) (11)
這樣，容易得到」，5的一組實驗數(shù)據(jù)，從而得到速度曲線，剪切速率纟也就可 以得到。
(3)剪切應(yīng)力的計算 在a、 b兩處(相隔l~2mm)，測出兩截面的壓力，則
(12)
假設(shè)1、在dz微元段內(nèi)，流體以相同的速度流過
2、以A/7=;7。-A表示dz微元段中心面上下的壓力差 則由dz微元段上的剪切力與外力平衡得
當(dāng),=/ 『日寸，有:
r =——、'^ = " v (13)
皿p
(14)
2Az
其中i 為特征半徑，可取t叩l及t叩2處半徑的算術(shù)平均值或?qū)?shù)平均值。 (4)拉伸應(yīng)力的計算
圖4所示為恒應(yīng)變速率段的受力分析，設(shè)所測得壓力差為A^，剪切應(yīng)力如(14) 所示。由于拉伸速率恒定，其拉伸粘度不變，故拉伸應(yīng)力是不變的，這里，忽略剪 切應(yīng)力的微變量A;。貝廿
p(4+M.)+CT4 = T>A+(P+Ap風(fēng)+ + M) (15)其中p-——圖3中a位置處的壓力 ^——圖3中a位置處的截面積； A^ —圖3中a與b位置處的截面積差；
———圖3中a位置處的拉伸應(yīng)力； ——圖3中a與b位置處的壓力差；
———圖4中壁面處的剪切力； A_……圖4中內(nèi)壁面的側(cè)面積。 其邊界條件
^V==0 — "max:
化簡(15)得
O-cr)A4—A;H =;《
則
A/ 4—r乂M.
本發(fā)明還涉及測試聚合物真實黏度的實驗流變儀裝置，該裝置包括伺服電 機(jī)、皮帶傳動部件1、絲杠傳動結(jié)構(gòu)2、進(jìn)料口、加熱件3、儲料筒、加熱件4、 活塞5、收縮流道、加熱件6組成。伺服電機(jī)、皮帶傳動部件1安裝在絲杠傳動結(jié) 構(gòu)2的前級，進(jìn)料口3與儲料筒、加熱件4安裝在同一級別上，活塞5安裝在儲料 筒、加熱套4上級，收縮流道、加熱件6安裝在儲料筒、加熱套4的下級，10為驅(qū) 動裝置，20為監(jiān)視口。
綜上所述，根據(jù)本發(fā)明的理論方法，就可以測試出聚合物的真實黏度。 實驗時，流體熔料或溶液由進(jìn)料口、加熱件3進(jìn)入儲料筒、加熱件4，啟動伺 服電機(jī)、皮帶傳動部件l，流體在活塞5以一定的速度變化形式下，擠壓流體從收 縮流道、加熱件6流出，并由熱電偶控制收縮流道、加熱件6及儲料筒、加熱件4 的溫度，通過收縮流道、加熱件6上安裝的壓力傳感器測出壓力《，A，并計算得到
(16)
(17)
(18)
(19)壓力差 ，代入實驗數(shù)據(jù)，就可以得到測試材料的真實黏度"c。
最后應(yīng)說明的是以上實施例僅用以說明本發(fā)明而并非限制本發(fā)明所描述的技 術(shù)方案；因此，盡管本說明書參照上述的各個實施例對本發(fā)明已進(jìn)行了詳細(xì)的說明， 但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對本發(fā)明進(jìn)行修改或等同替換； 而一切不脫離發(fā)明的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利 要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1、一種測量廣義牛頓流體唯一真實黏度的方法，其特征在于該方法涵蓋反映聚合物熔體或溶液的黏性的粘度和反映材料的拉伸黏度；步驟1、計算聚合物熔體的真實粘度步驟2、計算收縮流道內(nèi)壓力傳感器心軸線上的拉伸速率步驟3、計算剪切速率；步驟4、計算剪切應(yīng)力。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量廣義牛頓流體唯一真實黏度的方法，其特征在于所述的拉伸速率為壓力傳感器心軸線上的拉伸速率包括壓力傳感器圓柱體上端中心軸線上的熔體速度；壓力傳感器截面上的熔體的平均速度；經(jīng)過壓力傳感器圓柱體上端處截面的體積流率；壓力傳感器圓柱體上端處截面直徑；從坐標(biāo)原點到壓力傳感器圓柱體上端的距離。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量廣義牛頓流體唯一真實黏度的方法，其特征在于所述的流體的黏度是唯一的，所述的黏度包括剪切黏度和拉伸黏度，剪切黏度和拉伸黏度各表征流體黏度性能的一個方面。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量廣義牛頓流體唯一真實黏度的方法，其特征在于建立廣義牛頓流體唯一真實黏度的黏度模型，黏度模型與稠度m和冥律指數(shù)n無關(guān)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的測量廣義牛頓流體唯一真實黏度的方法，其特征在于所述的黏度測量的應(yīng)變速率范圍可以調(diào)節(jié)；改變機(jī)頭口模的直徑，測量高應(yīng)變速率下的真實黏度。
6、 一種測量廣義牛頓流體唯一真實黏度的裝置，其特征在于該裝置由機(jī)頭、可視化料筒、活塞螺桿、伺服電機(jī)及位置傳感系統(tǒng)組成，機(jī)頭內(nèi)部流道呈連續(xù)漸變收縮形狀，活塞螺桿具有軸向?qū)虿劢Y(jié)構(gòu)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的測量廣義牛頓流體唯一真實黏度的裝置，其特征在于聚合物溶液體或熔體經(jīng)過加料裝置進(jìn)入可視化料筒，在所述的伺服電機(jī)驅(qū)動下，所述的活塞螺桿勻速下壓物料從機(jī)頭擠出，釆集流動過程中的壓力信號，進(jìn)入計算機(jī)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，計算真實黏度。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的測量廣義牛頓流體唯一真實黏度的裝置，其特征在于當(dāng)流體以大雷諾數(shù)流經(jīng)機(jī)頭內(nèi)流道時，其中心軸線上拉伸速率恒定不變，可以計算純拉伸黏度；在料筒壁面上只有剪切作用，可以計算純剪切黏度。
9、根據(jù)權(quán)利要求6所述的測量廣義牛頓流體唯一真實黏度的裝置，其特征在于所述的裝置為智能控制，所述的位置傳感系統(tǒng)控制活塞螺桿的位移，并實時采集數(shù)據(jù)，導(dǎo)入PC進(jìn)行真實黏度計算。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測量廣義牛頓流體唯一真實黏度的裝置和方法，該方法包括計算聚合物熔體的真實粘度計算收縮流道內(nèi)壓力傳感器心軸線上的拉伸速率計算剪切速率；計算剪切應(yīng)力。一種測量廣義牛頓流體唯一真實黏度的裝置，由機(jī)頭、可視化料筒、活塞螺桿、伺服電機(jī)及位置傳感系統(tǒng)組成，機(jī)頭內(nèi)部流道呈連續(xù)漸變收縮形狀，活塞螺桿具有軸向?qū)虿劢Y(jié)構(gòu)。聚合物溶液或熔體經(jīng)過加料裝置進(jìn)入可視化料筒，在伺服電機(jī)驅(qū)動下，活塞螺桿勻速下壓物料從機(jī)頭擠出，采集流動過程中的壓力信號，進(jìn)入計算機(jī)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，計算真實黏度。既能反映材料的剪切黏度，又能反映材料的拉伸黏度，有效的解決了拉伸黏度和剪切黏度的統(tǒng)一性問題。
文檔編號G01N11/00GK101556233SQ20091007698
公開日2009年10月14日 申請日期2009年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月16日
發(fā)明者任冬云, 劉繼紅, 宋維寧, 祥 林, 馬艷娥 申請人:北京化工大學(xué)