你对熔体强度知多少

作者:文/Frankland Plastics Consulting公司 Jim Frankland 文章来源:PT《现代塑料》2014年4月刊 发布时间:2015-09-21
聚合物的熔体强度对于所有的挤出加工工艺都是非常重要的指标,但是这一性能通常并不反映在数据表中,加工商不得不自己来确定熔体强度.本文不仅重新定义了熔体强度,还介绍了一种测量熔体强度的常用方法.

聚合物的熔体强度对于所有的挤出加工工艺都是非常重要的指标,但是这一性能通常并不反映在数据表中,加工商不得不自己来确定熔体强度。本文不仅重新定义了熔体强度,还介绍了一种测量熔体强度的常用方法。

对于挤出级聚合物,有一个重要数据几乎从来没有在数据表中反映出来。规格说明书通常会显示固体聚合物的固体密度、熔体流动以及各种物理性能。不少数据表甚至会列出某些螺杆设计和冷却所需的热性能,但是对于聚合物的熔体强度这一性能指标通常却并不表现在数据表中,虽然几乎所有的挤出工艺都在一定程度上依赖于这一性能。

这是非常可惜的,因为这一数据对于挤出加工至关重要。对于片材挤出,熔体强度会影响从模头到辊的牵伸和熔垂。对于薄膜挤出,熔体强度影响膜泡的稳定性以及沿机器方向和横向方向(MD,TD)拉伸薄膜的均衡性。对于吹塑成型,熔体强度可通过影响型坯下垂来控制壁厚。对于管材和型材挤出,熔体强度影响取向和同心度。此外,熔体强度还影响挤出涂层中的牵伸。甚至在共挤应用中,熔体强度的相对平衡还有助于实现界面的稳定性。

问题是,加工商通常不得不自己来确定熔体强度,并尝试通过调整熔融温度、挤出速率、设备设计和聚合物在承受张力或处于无支撑状态时的时间间隔对熔体强度进行补偿。而这通常需要花费时间和精力进行不断摸索,而且往往需要更换重要设备,代价也非常大。

熔体强度可以被描述为聚合物熔体抵抗拉伸的阻力大小。一种材料的熔体强度通常与该聚合物的分子链缠结情况以及它在应变下解开缠结的阻力相关。影响解开缠结阻力的聚合物性能是分子量、分子量分布(MWD)和分子支化程度。随着每个性能的增加,熔体强度在低剪切速率下也相应越高。

在保持聚合物加工性能的条件下,支化程度和MWD对熔体强度的作用最显著。支化聚合物(或者带有较大比例的长分子链)通常需要更大的应变来解缠分子,以使它们获得更好的流动性(如图1所示)。线性聚合物是简单的长链聚合物,很少或没有分支结构,当施加很小的应变时就能被很容易地解开。

交联聚合物与支化聚合物类似。现在市面上有很多添加剂,可用于交联线性聚合物,以提高熔体强度。此外,现代聚合技术也可以使一些不易被支化的聚合物支化。

熔体强度还与聚合物的拉伸黏度有关,后者通常可以通过会聚流动流变测定法来确定。但是,这两者并不总是成正比关系,因此不能单纯地用拉伸黏度来描述熔体强度。实际上,熔体强度与传统的剪切黏度测量值的关系并不是我们想象中的那么密切,也就是说,熔体流动/熔融指数测量值并不是熔体强度的重要指示指标。

鉴于熔体强度对于实际挤出生产的重要性,目前已经开发出了很多测量熔体强度的方法。其中一种主要的方法是Goettfert Rheotens装置,该装置预留了一个向下挤出的孔口,熔融挤出物或纤维束可以从两个动力辊之间被拉出。当辊的速度增加时,纤维束中会产生张力,并被Rheotens装置精确测定出来。根据振动流变仪的测量结果,可以通过损耗模量(G″)曲线和储能模量(G′)曲线的交叉点来估算熔体强度。

目前,振动流变仪已被广泛用于聚合物的表征中。其数据往往可以直接从供应商处获得,而不需要再进行测试,因为材料供应商经常使用流变仪进行内部质量控制。这些信息会直接在图中显示出来(如图2所示):G″线与G′线的交叉点越低,通常熔体强度越大。

对于频繁更换聚合物的挤出加工商,可事先获得一些关于材料熔体强度的指示指标来预测操作条件,并进行必要的设备更换。当熔体强度发生改变时,通常需要更换模头,对牵伸差异进行补偿。对于熔体强度的其他影响,有时还需要更换更复杂、更精密的设备。图1 支化聚合物需要更大的应变来解开分子链。交联聚合物与支化聚合物类似。该图说明了为什么这些分子结构需要更多的应变来使其重新成形,从而具有更大的熔体强度图2 振动流变仪被广泛地用于聚合物表征中。该图中所显示的数据通常可以直接从树脂供应商处获得。通常,G″线与G′线的交叉点越低,熔体强度越大

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