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熔體流動速率的測試方法
日期：2024-12-22 16:08
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摘要：
熔體流動速率的測試方法
一． 基本概念
1．什么是熔體流動速率？
圖1是熔體流動速率試驗的結構示意圖。料筒外面包裹的是加熱器，在料筒的底部有一只口模，口模中心是熔體擠壓流出的毛細管。料筒內插入一支活塞桿，在桿的頂部壓著砝碼。
熔體流動速率的測試方法試驗時，先將料筒加熱，達到預期的試驗溫度后，將活塞桿拔出，在料筒中心孔中灌入試樣（塑料粒子或粉末），用工具壓實后，再將活塞桿放入，待試樣熔融，在活塞桿頂部壓上砝碼，熔融的試樣料通過口模毛細管被擠出。
塑料熔體流動速率（MFR），以前又稱為熔體流動指數(shù)（MFI）和熔融指數(shù)（MI）。
1． 1定義
熔體流動速率是指熱塑性材料在一定的溫度和壓力下，熔體每10min通過標準口模的質量，
單位為g/10min.
1．2 影響試驗結果的因素
a． 負荷：加大負荷將使流動速率增加；
b． 溫度：在試樣允許的前提下，升高溫度將使流動速率增加，如果料筒內的溫度分布不均勻，
將給流動速率的測試帶來很明顯的不確定因素；
c．關鍵零件（口模內孔、料筒、活塞桿）的機械制造尺寸精度誤差使測試數(shù)據大大偏離。粗糙度達不到要求，也將使測試數(shù)據偏小。
2． 意義
熔體流動速率表征了熱塑性聚合物的熔體的流動性能，通過對它的測量可以了解聚合物的分
子量及其分布、交聯(lián)程度，以及加工性能等等。
二． 熔體流動速率試驗的技術要求
熔體流動速率的測試方法由于溫度、負荷、機械零件的任何一項偏差，都會導致試驗結果的不正確，因此，為了保證
試驗結果的正確性，必須對這些參數(shù)很具體地確定下來。
1． 溫度
由于在本試驗中，唯有溫度是動態(tài)參數(shù)，對試驗的結果影響也很大，因此對溫度的技術參數(shù)
規(guī)定得很細致。有的廠家生產的各種儀器（還有如恒溫槽，維卡軟化點，等等）凡有溫度指標的，均標上“溫控精度”這一項，其實是對用戶提供了一個貌似高精度而實則是沒有實際意義的指標。
1．1 溫度數(shù)顯準確度。
準確度，這里指數(shù)顯值與標準溫度計之間的差值。一般來說，只要溫控系統(tǒng)具有長期的穩(wěn)定性和微小的波動，準確度都是可以通過校正來消除誤差的。通常（按國家標準，下同）要求在0.5℃內。
1．2 溫度波動
溫度波動，指料筒內不論加料與否、溫度穩(wěn)定后的溫度波動情況，這表征了設備的溫度控制能力。
1．3 溫度長時間穩(wěn)定性
指料筒內不論加料與否，在經過一段長時間，如4h后，溫度變化的數(shù)值，它表征了溫度控制系統(tǒng)抗環(huán)境溫度變化、抗電源電壓變化的能力，以及自身電子系統(tǒng)的漂移。通常要求不超過1℃。
1．4 溫度分布
特指料筒內口模上端起50mm長度范圍內的溫度梯度，反映了料筒內溫度的均勻性。通常要求在溫度**不超過±1.5℃，低端不超過±1℃。
2． 負荷
根據測試標準，要求負荷的誤差在0.5％以內。
3． 機械制造精度
a. 口模?？谀５拿毠軆瓤滓笙喈攪栏?，有二種規(guī)格：
內徑 d1=2.095mm±0.005mm,粗糙度0.25
內徑 d2=1.180mm±0.010mm,粗糙度0.25
b. 料筒。料筒內孔要求達到d=9.55mm±0.025mm，粗糙度0.25級，維氏硬度600；
c.活塞桿。測量頭部要求與料筒內孔有合適的間隙配合，粗糙度0.25級，維氏硬度500。
這里要提及的是，在活塞桿上有多根刻線，在料筒內加料后，活塞桿插入料筒，這時刻線都暴露在上面，料筒內近底部的熔體由于存在氣泡等原因是不采用的，要等到活塞桿下移后達到**根刻線，才進入有效范圍，至上面刻線為止，多余部分也屬無效。至于多根刻線，是根據不同國家制定的要求而作的標志。
三． 試驗參數(shù)的選擇
熔體流動速率的測試方法看似繁多的技術參數(shù)，其實是儀器制造廠家的任務。供實驗人員在操作時選用的，只有下列
三項：溫度，負荷，口模。
在新標準中，1.180mm的口模已不再出現(xiàn)。而即使在以前的老標準中，1.180mm的口模也極少用到。
如何選擇試驗參數(shù)，在相關的國家標準GB3682、國際標準ISO1133，美國標準（試驗方法）ASTM D1238都已明確規(guī)定：
標準GB3682－2000中的附錄B：
附 錄 B
熱塑性材料的試驗條件
表B1列出的是已規(guī)定在有關標準中的試驗條件，如有必要，對某些特殊材料可以使用未被列出的其他試驗條件。
表 B1
| 材 料 | 條件（字母代號） | 試驗溫度θ，℃ | 標稱負荷（組合）mnom,kg |
| PS | H | 200 | 5.00 |
| PE | D | 190 | 2.16 |
| PE | E | 190 | 0.325 |
| PE | G | 190 | 21.60 |
| PE | T | 190 | 5.00 |
| PP | M | 230 | 2.16 |
| ABS | U | 220 | 10.00 |
| PS-1 | H | 200 | 5.00 |
| E/VAC | B | 150 | 2.16 |
| E/VAC | D | 190 | 2.16 |
| E/VAC | Z | 125 | 0.325 |
| SAN | U | 220 | 10.00 |
| ASA、ACS、AES | U | 220 | 10.00 |
| PC | W | 300 | 1.20 |
| PMMA | N | 230 | 3.80 |
| PB | D | 190 | 2.16 |
| PB | F | 190 | 10.00 |
| POM | D | 190 | 2.16 |
| MABS | U | 220 | 10.00 |
標準GB3862－2000中的附錄A：
附 錄 A
（標準的附錄）
測定熔體流動速率的試驗條件
所有試驗條件應由相應材料命名或規(guī)格標準規(guī)定，表A1列出了已證明是適用的試驗條件。
表A1
| 條件（字母代號） | 試驗溫度θ，℃ | 標稱負荷（組合）mnom,kg |
| A | 250 | 2.16 |
| B | 150 | 2.16 |
| D | 190 | 2.16 |
| E | 190 | 0.325 |
| F | 190 | 10.00 |
| G | 190 | 21.6 |
| H | 200 | 5.00 |
| M | 230 | 2.16 |
| N | 230 | 3.80 |
| S | 280 | 2.16 |
| T | 190 | 5.00 |
| U | 220 | 10.00 |
| W | 300 | 1.20 |
| Z | 125 | 0.325 |
| 注：如果將來需要使用本表中未列出的試驗條件，例如，對新的熱塑性材料，則只可選擇本表中已使用的負荷和溫度。 | ||
很明確，我們可以根據不同的材料，選用不同的試驗條件，當同一種材料有多種試驗條件時，根據約定俗成的原則，或雙方商議（供、需雙方等等）來確定。如PE，一般在沒有特別說明的情況下，總是采用2.16kg的負荷、190℃的試驗溫度，盡管它有多達四種的試驗條件。要注意的是，標準附表中明確說明了，對沒包括在附錄中的新的熱塑性材料，也“只可選擇本表中已使用的負荷和溫度”。
四． 試驗步驟
1．確定了試驗條件，就可以具體地進行試驗了。
a. 設置溫度，待穩(wěn)定；
b. 需要清潔料筒活塞桿，清潔后，將活塞桿插入，還需等待溫度穩(wěn)定；
c. 將活塞桿拔出；
d. 加料，壓實（應在1min內完成），重新插入活塞桿；
e. 待4～6分鐘（有規(guī)定的按規(guī)定，一般4分鐘后，溫度已開始進入穩(wěn)定狀態(tài)）；
f. 加砝碼；
g. 如料太多，或下移至起始刻度線太慢，可用手加壓或增加砝碼加壓，使快速達到活塞桿上的測試起始刻線；
h. 計時，切樣，可切數(shù)段；
i. 稱重；
j. 計算，取平均值；
k. 用紗布、專用工具（清洗桿）清洗料筒、活塞桿，如料的粘性太重，不易清洗，可在表面涂一些潤滑物，如石臘等。清洗一定要趁熱進行。料筒、活塞桿在每次試驗后都必須進行清洗。
l. 口模清洗，用專用工具（口模清洗桿）將內孔中熔融物擠出。在做相同材料的試驗時，口模不必每次清洗，但在調換試驗品種、關閉加熱器前或已經多次試驗，則必須清洗。遇有不易清洗的情況，同樣可涂一些石臘等潤滑物。
2．計算
通過上述操作過程，我們對每一段樣條，取得了二個數(shù)值：
樣條的質量－m，g
該樣條流出的時間－t，s
因為我們的定義是：每10min（即600s）流出口模毛細管的熔體的質量，而在上述的流出時間t，不一定是600s，甚至可能差很多，因此，要折合到600s計算，這樣：
MFR＝600.m/t
式中，m、t的意義同上，MFR即為熔體（質量）流動速率，單位為g/10min。
五． 自動測試方法
綜上所述，在整個試驗過程中，測試人員需要將熔體通過口模內孔流下的部分按時間間隔
切割下來，這里附帶有許多人工操作的誤差因素，同時，如果流動速率很大的話，試驗人員根本來不及切割操作，而如果是很小的速率，流下一段需要花費半小時甚至*長的時間，操作者的勞動強度是很大的（思想緊張）。因此，自動的試驗方法很有必要。
自動測試有二種方法：一種是：預先設定熔體流出的體積，然后對該體積的熔體的流出時間自動記錄，這是國內外通行的做法；另一種是設定熔體流出的時間。然后檢測該段時間流出的熔體的體積?？傊鞒鋈垠w的體積和流出時間是終要知道的數(shù)值，而只要知道了熔體的密度，就可以知道流出的這一段熔體的質量。我們回想一下原先的定義，就可計算出熔體流動速率MFR了：
MFR＝600.m/t
將m＝πr2.L.ρ代入
MFR＝600.πr2.L.ρ/ t
式中：πr2活塞和料筒的平均截面積0.711 cm2，r為料筒內孔平均半徑；
L－預先設定的活塞桿下移距離（一般為1”、1/4”,即25.4mm、6.35mm）;
ρ*－熔體的密度，對PE，ρPE190℃ ＝0.7636 g/cm3, 對PP，ρ PP230℃＝0.7386 g/cm3
經簡化得：
MFR＝F/t
式中：F－系數(shù)，參見下表*：
| 材 料 | 試驗溫度 | 行程長度 | F |
| PE | 190℃ | 2.54cm | 826 |
| 0.635cm | 207 | ||
| PP | 230℃ | 2.54cm | 799 |
| 0.635cm | 200 |
熔體的體積終是由活塞桿的行程決定的，這樣，只要選定行程（一般在儀器上已設置若干規(guī)格），記錄計時數(shù)值，就可很容易得到熔體流動速率，而減少了很多的人為誤差。
使用自動測試方法，還可以測試低達零點零幾、高達上千數(shù)值的材料的熔體流動速率，這在人工測試時簡直是不可能的。
六． 熔體密度的測定
上面在自動測試的方法介紹中，已經提到了熔體密度這一概念及其作用，對于PE，PP，不論其熔體流動速率如何，在特定的溫度下，其熔體密度是一個常數(shù)*，對熔體流動速率的測定帶
來很多方便，但畢竟有許多材料，沒有正式公布其數(shù)值。但我們也可以通過以下方法來測定（注意，僅對被測的批次有效）。
將儀器設置在自動測試工作狀態(tài)，選擇行程（25.4/6.35/等等），從計時器自動計時開始，切割一次，至記時結束為止，再切割一次。將這兩次切割間的樣條稱重。重復幾次試驗。
同樣，現(xiàn)在的已知條件是：該樣條的質量（m）、該樣條在熔融狀態(tài)下的體積（V= L.πr2）。于是，可得出下式，以方便地計算該熔體的密度：
ρ=14m/L [g/cm3]
式中， m－樣條的平均質量 [g]
L－活塞桿的行程。 [mm]
七．熔體體積流動速率（MVR）的測定
目前，一般而言的熔體流動速率都是指熔體質量流動速率MFR，而在近的國家標準中，已根據國際標準ISO1133－1997，增加了“熔體體積流動速率”的內容。
1． 定義
熔體體積流動速率是指熱塑性材料在一定溫度和壓力下，熔體每10min通過規(guī)定的標準口模的體積，用MVR表，單位： cm3/10min.
它從體積的角度出發(fā)，來表達熱塑性材料在熔融狀態(tài)下的粘流特性，對調整生產工藝，提供了科學的指導參數(shù)。
2．測定方法及計算
按第5章“自動測試方法”，根據計時的數(shù)值，按下式計算：
*:ASTM：D1238－01 10.Procedure B－Automatically Timed Flow Rate Measurement
MFR＝600 πr2 . L/t =427 L/t
L與t的意義同上。
八．試驗中遇到的幾個問題
1．測試數(shù)據離散
這里所指的離散，是嚴重的程度，相同材料的試驗值有相差數(shù)倍的，這種情況多發(fā)生在粉料狀態(tài)。這是由于材料的熱降解或交聯(lián)引起的，因此，在必要時，需要加入穩(wěn)定劑（抗氧化劑）來解決。
2． 關于熔體流動速率值偏低的分析
2.1 料桿運動的靈活性
料桿在料筒內孔中能保持垂直運動，依靠軸線的兩點定位，一是料桿的測量頭部與料筒內孔間的0.075mm左右的公差配合，二是料桿中間部位與導向套之間的公差配合,使料桿在料筒內既能自由上下運動,又不會歪斜,保持垂直。而且從理論上講,使用的年限越長,摩擦系數(shù)越小,越靈活。操作時,導向套良好地固定,能有效的防止料桿彎曲變形，這是用戶常有疏忽的。
然而,用戶有時很少注意到料桿的靈活運動。當使用一段時間后,料桿上很明顯地會薄薄地沉積一層焦化物,即使用戶在每次都認真地清洗了料桿,這一層沉積物還是慢慢地形成了(*不用說有些用戶本身的清洗工作就做得很差),而且,導向套的內壁還不會去清洗它,這樣,使用一段時間后,料桿和導向套之間的配合將不再是這么如意,越來越粘滯,卻始終引不起用戶的注意。
至于導向套未妥善地放置，以致沒有起到導向作用而使活塞桿歪斜，也是常見現(xiàn)象。
這些故障的結果是測量值明顯偏小,而用戶往往怪罪于其它原因。
2.2 口模及料筒的情況
按操作要求，料筒在每次試驗時，都要清洗，口模要求少每天清洗一次及在換料前清洗，但用戶一般對料筒每次都認真清洗，而疏忽了口模，一方面當然還是因為口模難以清洗之故。常用的口模內徑是2.095±0.005mm,口模內徑直接影響了熔體流經的速度，其內壁*容易沉積焦化物，而薄薄地一層，相對于小口徑來說，已占了相當?shù)谋壤?，使熔體流經的阻力大大增加，試驗值明顯減小。對口模內徑測試，發(fā)現(xiàn)內徑減小了。但我們知道，除了口模受到外力的敲擊，使內孔發(fā)生變形外，在正常使用的情況下口模內徑總是變大的。
上述二種情況，是該種儀器常見的故障，它們都使試驗值偏小，甚至有減少一倍以上的。筆者曾遇到一家頗有聲望的單位，該單位的一臺進口儀器的口模不小心掉了，買了一只國內生產的口模，剛開始時，試驗數(shù)據一切正常，后來突然發(fā)現(xiàn)數(shù)據偏小，越來越嚴重，便懷疑口模不好，要求筆者提供一只。經筆者檢查，該機料桿不靈活，口模內孔也臟，經清洗后，一切恢復正常。
清洗方法很簡單:趁熱態(tài)按常規(guī)清洗料桿、料筒及口模后，將料桿和導向套分離，用細的金相砂紙，沾油后將料桿表層的沉積物打磨掉，同時，將一小片沾油的砂紙卷起，塞入口模以及導向套內孔，輕輕拉動，當能看到金屬本色后，即可獲得當初靈活自如的運動狀態(tài)，試驗數(shù)據也將恢復正常。
2.3 料筒的加熱
料筒有一定的長度，因此在料筒外緣套有數(shù)只不銹鋼外殼的加熱圈(有的廠家的產品用電熱絲繞在外緣)。由于溫度控制的測量點僅在下段的一個區(qū)間，因此當加熱圈局部損壞時，即使溫度顯示還是達到原來的數(shù)值，但料筒內的溫度分布已發(fā)生了或高或低的變化,使試驗值明顯偏離。
這類故障的一般外部反映為:溫度控制反映遲鈍,波動大,恢復時間明顯延長（一般為4－6分鐘），甚至無法穩(wěn)定，用交流電流表測儀器電源電流，在加熱狀態(tài)將明顯低于額定電流。此時，需有專業(yè)儀器維修人員*換內部加熱圈。
2.4 溫度的準確性
國標規(guī)定，溫度穩(wěn)定允差0.5℃，儀器盡管采用了電腦軟件控溫，消除了許多不穩(wěn)定因素，但隨時間的流逝，傳感器及電子電路總有些許變化使穩(wěn)定顯示值偏差。因此，要經常用專用校正溫度計進行校對。當實際溫度偏低時，熔體流動性變差，試驗值變小，但在正常情況下，如果偏離值不大（如小于0.5℃），對試驗結果不會有特別明顯的影響。
3． 腐蝕問題
我們注意到，在國家標準和國際標準中，沒有將PVC列入標準的試驗條件，一般來說，
PVC是不采用熔體流動速率的試驗而是采用特性粘度的試驗的，但在目前，高分子材料越來越多，五花八門的改性也越來越體現(xiàn)出自身的價值。于是，各種PVC等材料的熔體流動速率值也成為必須的了。
據筆者所知，PVC沒有成為標準的試驗條件，可能的原因是：
a. 在高溫條件下極易裂解，一旦裂解，不再呈現(xiàn)“熱塑性”，導致儀器的測試機構徹底損壞；
b. 在高溫條件下釋放具有強腐蝕性的氣體，導致儀器的測試機構腐蝕，導致?lián)p壞。
目前，筆者已研制出耐腐蝕的測試機構，并在上海塑料測試中心試用。
4. 氣泡
當料中混有較多的水汽及空氣時，測量結果將會有很大的離散，若要減少氣泡的影響，加料
應一次完成，必要時還需將材料真空干燥處理。有的在粒料內還有明顯可見的氣泡，就無法正確的測量了。
5. 儀器的校核
當對測試數(shù)據產生懷疑時，首先應多做幾次試驗以分析癥結所在。當確實對儀器本身產生懷
疑時，好的方法，是做一次標準樣品試驗。嚴格按標準樣品的試驗要求試驗。如果誤差在10％以內，認為設備正常（國家計量檢定規(guī)范JJG878），如果超差太大，則應進行常規(guī)檢查：
a. 口模內孔的清潔；
b. 溫度
c. 活塞桿的靈活性
d. 砝碼（一般不會有問題）
可見，儀器設備的日常保養(yǎng)是很重要的。