不同特性粘数PBT切片的流变性能研究

张建

(中国石化仪征化纤股份有限公司研究院，江苏仪征 211900）

研究论文

不同特性粘数PBT切片的流变性能研究

张建

(中国石化仪征化纤股份有限公司研究院，江苏仪征 211900）

采用毛细管流变仪研究了5种不同特性粘数的聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT）的流变性能，计算得到了PBT的非牛顿指数和粘流活化能。结果发现:不同特性粘数的PBT熔体能够达到的最大剪切速率不同，随着特性粘数的增大，PBT熔体的非牛顿指数逐渐减小，粘流活化能先是逐渐减小，然后又变大。

聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT）特性粘数流变性能粘流活化能

聚对苯二甲酸丁二醇酯，简称PBT，是一种具有优良综合性能的工程塑料，PBT可以在较低温度下快速成型，其制品具有良好的电性能、耐温性能，机械强度、表面硬度高，尺寸稳定性好，因此广泛应用于电子电器、汽车和机械等领域。

聚酯加工参数的精确设置直接影响到产品的外观品质和内在性能，因此原料流变性能的研究对聚酯制品的生产有直接的指导作用。笔者采用毛细管流变仪研究了几种不同特性粘数PBT的流变性能。

1 实验

1.1 实验原料

不同特性粘数的PBT切片常规性能指标如表1所示(切片由中国石化仪征化纤股份有限公司生产）。

表1 试样的性能指标

1.2 主要仪器

英国Rosand RH-7型毛细管流变仪，毛细管尺寸16 mm×1 mm×90°，未作出口压力校正;

ZK-82B型电热真空干燥箱。

1.3 样品预处理及测试条件

实验前，将PBT切片置于真空烘箱中，于130℃、－0.1 MPa条件下真空干燥8 h。测试时称取样品80 g左右，测试温度分别为260，265，270，275℃，剪切速率范围为250～10 000 s－1。

2 结果与讨论

2.1 最大剪切速率

在各个测试温度点下设定剪切速率，进行PBT剪切粘度的测试，规定当压力波动超过0.5%时，对应的剪切速率为无效数据，由此得到每个PBT样品的最大剪切速率。如表2所示。

表2 PBT最大剪切速率

由表2可以看出，在相同测试条件下，不同特性粘数PBT切片能够达到的最大剪切速率不同。从PBT-1#到PBT-4#，切片的特性粘数逐渐增加，各温度点能够达到的最大剪切速率也在增加，PBT-4#在所有温度点，其剪切速率都可以达到10 000 s－1，加工性能最稳定。PBT-5#特性粘数最大，在较高温度和高剪切速率条件下，熔体流动稳定性反而变差。

2.2 流变曲线

图1为不同温度下PBT熔体的流变曲线。由图1可以看出，在实验范围内，5种PBT熔体的剪切粘度随着剪切速率的增大而减小，均表现出典型的切力变稀型非牛顿流体的流动特征。当剪切速率小于2 000 s－1时，PBT熔体剪切粘度随着剪切速率的增大而减小的幅度较大，剪切速率大于2 000 s－1时，减小幅度趋于平缓。

图1 不同温度下PBT熔体流变曲线

从图1还可以发现，增大剪切速率对高特性粘数PBT熔体剪切粘度的影响明显大于对低特性粘数PBT熔体的影响。PBT特性粘数越高，分子链越长，分子链缠绕点越多，对应的剪切粘度也就越高。外部的剪切作用可以破坏部分分子间的缠结，PBT特性粘数越高，外部的剪切作用对剪切粘度的影响越大。因此增大剪切速率，可以明显减低PBT熔体的剪切粘度，当剪切速率增大至8 000 s－1以上时，PBT分子中的缠结点大部分都被解除，所以5种PBT熔体的剪切粘度趋于接近。

随着温度的升高，PBT熔体的自由体积增加，链段的活动能力增加，分子间的相互作用力减弱，使PBT熔体的流动性增大，表现为熔体剪切粘度下降。

2.3 非牛顿指数

非牛顿指数n可以用来表征高聚物熔体偏离牛顿流体的流动行为特性，假塑性切力变稀熔体的非牛顿指数小于1。非牛顿流体的粘度和剪切速率关系符合幂次律方程:

式中，k为流体稠度;n为非牛顿指数。对方程两边取对数，则有

因此可以由lgηа－lgγ的斜率得到不同特性粘数PBT切片的非牛顿指数n，如表3所示。

表3 PBT切片的非牛顿指数

从表3可以看出，随着温度的升高，PBT熔体的非牛顿指数n逐渐变大。数值越接近于1，PBT熔体更接近牛顿流体的流动行为。从PBT-1#到PBT-5#，切片特性粘数增加，非牛顿指数n逐渐变小，PBT熔体偏离牛顿流体的程度变大。

2.4 PBT的粘流活化能

在粘流温度以上，高聚物的剪切粘度和温度关系符合Arrhenius经验公式:

式中:ηа—剪切粘度，Pa·s;

A—常数;

Eη—粘流活化能，kJ/mol;

R—气体常数，8.314;

T—绝对温度，K。

进一步推导可知:

作lnηа－1/T的关系曲线，拟合出直线方程，其斜率

例如:PBT-1#切片的lnηа－1/T线性拟合图如图2所示:

图2 PBT-1#的lnηа－1/T线性拟合图

依次作出其他PBT切片不同剪切速率条件下的lnηа-1/T关系曲线，幷拟合出直线方程，求出其斜率，根据公式(3）分别得到260～275℃条件下PBT切片的粘流活化能(剪切速率达到8 000 s－1以上时，PBT熔体的lnηа－1/T关系曲线线性度较差，对应的粘流活化能未进行计算）。

粘流活化能反映的是材料表观粘度变化的温度敏感性，粘流活化能越大，表观粘度对温度越敏感。粘流活化能对聚酯制品加工成型的质量稳定性和均匀性以及纺丝成形具有重要的意义。对粘流活化能较高的PBT切片，在加工时温度的波动对产品的性能影响较大，需要更精确的温度控制。

由表4和图3可知，在实验温度范围内，随着剪切速率的增大，各种PBT熔体的粘流活化能减小，PBT熔体剪切粘度的温度敏感性下降。

表4 不同特性粘数PBT切片的粘流活化能Eη

图3 不同剪切速率条件下PBT切片的Eη

随着PBT特性粘数的增加，PBT熔体的粘流活化能先是逐渐减小，然后又变大。在实验范围内，PBT-1#熔体的粘流活化能最高，PBT-4#的粘度活化能最低。PBT-1#的特性粘数最低，分子链柔顺性好，流动单元链段短，在较低的温度下即可发生流动，加工温度高，熔体流动过快，会造成熔体压力不稳定。

PBT在熔融挤出加工过程中会发生热降解和热氧降解，从而造成特性粘数下降，反应温度越高，降解反应越剧烈。PBT的特性粘数降与分子质量也有一定的关系，表5列出了不同特性粘数PBT切片在265℃螺杆挤出过程中的特性粘数降。

表5 PBT切片的特性粘数降

从表5可以看出，相同加工条件下，特性粘数越大的PBT切片特性粘数降低得越多，PBT-5#的特性粘数降是PBT-4#特性粘数降的两倍。PBT-5#特性粘数过高，熔体流动能力差，熔体停留时间长，降解幅度远大于特性粘数低的PBT切片，降解小分子影响高粘熔体的流动稳定性。

3 结论

a）在相同测试条件下，不同特性粘数PBT切片能够达到的最大剪切速率不同。

b）提高剪切速率和加工温度，可以明显降低PBT熔体的剪切粘度。PBT切片特性粘数越高，剪切速率对PBT熔体剪切粘度的影响越大。

c）PBT熔体的非牛顿指数随着特性粘数的增大而减小，升高温度可以提高PBT熔体的非牛顿指数，提高PBT熔体的流动能力。

d）在实验范围内，随着特性粘数的增加，PBT熔体的粘流活化能先是逐渐减小，然后又变大，PBT-1#粘流活化能最大，PBT-4#粘流活化能最小。

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Rheological behavior of PBT polyester with different intrinsic viscosity

Zhang Jian

(Research Institute of Yizheng Chemical Fiber Co.，Ltd.，SINOPEC，Yizheng Jiangsu 211900，China）

The rheological behavior of polybutylene terephthalate(PBT）which has different intrinsic viscosity，was studied with acapillary rheometer.The non-Newtonian index and viscous flow activation energy were calculated.The PBT melt got different maximum shear rates.With intrinsic viscosity increasing，the non-Newtonian index gradually decrease，and viscous flow activation energy was first gradually reduced，and then increases again

polybutylene terephthalate(PBT）;intrinsic viscosity;rheological behavior;viscous flow activation energy

TQ323.41;O633.14

B

1006-334X(2012）01-0014-04

2012－03－04

张建(1979－），江苏淮安人，工程师，主要从事聚酯和化工合成研究工作。