旋转流变仪在PVC糊树脂性能测试的应用

（新疆天业（集团）有限公司，新疆石河子市，832000）王天龙 张俊贵 万亚格

聚氯乙烯糊树脂的加工需同增塑剂等其它助剂混合后经充分搅拌，形成稳定的PVC增塑糊（该增塑糊为液体），而后经过高温加热固化后才能加工成制品。因此，研究PVC增塑糊的流变特性，有助于了解糊树脂流动特性，从而确定合适的加工生产工艺条件。大部分的PVC增塑糊为“胀流性”液体，这种液体在一定的剪切应力和剪切速率条件下表现出涨流流动特性，即只要剪切速率增大，黏度就增大。换言之，用PVC糊树脂涂覆加工时，其涂速越高，糊料就变得越粘稠，会造成织物撕裂甚至使涂覆机卷轴断裂[1]。

本文分别选取种子微悬浮法、种子乳液法和微悬浮法三种不同聚合工艺的聚氯乙烯糊树脂，在本文中样品的编号分别为1#、2#、3#样品。通过先进的“HAAKEMARS60”旋转流变仪，对聚氯乙烯糊树脂的混合、特定温度下的流变以及在等速升温的条件下的震荡流变实验，分析三种不同生产工艺下的聚氯乙烯糊树脂的流变特性。

1 旋转流变仪简介

旋转流变仪具有同轴圆筒、锥板、平行板测量转子系统。同轴圆筒有很宽的间隙，适合填充材料，同时具有更大的表面积，测量稀薄液体时更加灵敏，减少了挥发。锥板在整个间隙中的剪切速率恒定，测得的结果是绝对黏度，但是存在溶剂产生挥发和难清理等弊端。平行板的间隙可变易于设置间隙，能够获得高剪切速率，易于清理，但是存在剪切速率在边缘最大，在中心点为零，也存在溶剂产生挥发的现象。锥板和平行板测量系统可以用于测试和记录，由于硬化、固化等化学条件导致的黏度随时间和温度的增加，如果聚合物在测试过程中变为硬固体，能够将固化的聚合物样品取下。同轴圆筒测量转子系统则不能用于检测热固性树脂的固化[2]。

2 旋转流变仪应用

许多聚合物溶液，具有长链分子。这些长链分子数以百万相似的分子内部成环和缠绕。当施加很小的力，分子有充足的时间蠕变和相互超越地流动。在低速形变时，聚合物溶液以黏性流动特性为主，而弹性不明显；但在快速形变时，分子间没有时间产生黏性流动，最终分子开始解缠绕及取向，并开始朝着剪切力的方向排列产生不可逆流动。

根据应力和应变施加方式的不同，旋转流变仪可以分别进行稳态测试、瞬态测试和动态测试。对材料进行旋转测试（测量温度、剪切的时间黏度扫描）、震荡测试（温度、频率、振幅、时间扫描）和蠕变回复测试（触变环、三段式结构恢复）。测试流场是两个锥/平板之间的流动；两个同轴圆筒环状间隙内的圆周流动。测试过程是单一变量、单一流场的绝对粘度的测试[3]。

3 流动特性对比

聚氯乙烯糊树脂加工很多是在常温下进行的，如刮涂、滴塑、喷涂、浸渍等，物料受剪切过程不受热，成型过程靠热的传递进行塑化定型，因此研究室温下糊树脂的流变可以模拟在后加工过程中物物料粘度随剪切速率的变化。

3.1 增塑糊搅拌特性

按照PVC：DOP=100：60的比例，经过初步混合后，在旋转流变仪上用三层两叶的桨叶转子，设定转速800rpm，搅拌1h，并采集物料搅拌过程中粘度曲线，具体如图1所示。

图1 1#、2#、3#样品粘度曲线图

通过搅拌的时间黏度曲线上分析可知：2#样种子乳液发聚氯乙烯树脂随着搅拌时间的增加，黏度下降速率较快。1#和3#样搅拌下降速率较慢，在搅拌的20～30min时，3#样的黏度出现平稳，1#样的黏度出现较快的下降后趋于平稳。

3.2 25℃下增塑糊流动特性

将以上混合后的增塑糊在25℃下用10#转子做同心圆筒流变实验，设定剪切速率在0.1～1000s-1，间隙2.113mm，恒温2min，测定PVC增塑糊变剪切流动曲线，具体如图2所示。

图2 1#、2#、3#样品增塑糊变剪切流动曲线图

从以上剪切速率黏度曲线上分析可以得出：①3#样微悬浮法聚氯乙烯树脂随着剪切速率的增加，黏度出现先下降，当剪切速率达到10以上时，黏度出现上升趋势，当剪切速率达到170以上时，黏度出现快速上升的趋势，当剪切速率达到520以上时，黏度达到最大值14.15Pa.s。随着剪切速率的增加，黏度又出现了下降趋势；②1#样种子微悬浮法树脂当剪切速率达到50以上时，黏度出现缓慢度上升趋势，当剪切速率达到580时，黏度达到了最高5.13Pa.s，但与最黏度不差2Pa.s，随着剪切速率的增加，黏度又出现了少许的下降趋势；③2#样种子乳液法树脂初始粘度较高，随着剪切速率的增加，粘度快速下降，剪切速率到20时，黏度到最低5Pa.s，随着剪切速率的增加黏度出现了快速的上升，当剪切速率达到350时黏度达到最大11.15Pa.s，后随着剪切速率的增加，黏度又出现了下降趋势。

3.3 平行板变温震荡下增塑糊的特性

设定温度40℃～140℃，升温速率5℃/min，震荡弧度10即1.592Hz，平板间隙1mm，树脂凝胶不流动后，间隙变小，曲线有所偏离。可通过控制法向力和间隙进行调节。测试前需对多余的糊料进行刮边，以消除其测试影响。

3种样品在40～80℃温度之间物料的弹性模量G'和粘性模量G”的变化。G'保持材料的特性，G”作为损耗的热量。弹性模量（又称储能模量）远大于粘性模量（又称损耗模量）时，材料主要发生弹性形变，所以材料呈固态；粘性模量远大于弹性模量时，材料主要发生粘性形变，材料呈液态，储能模量和损耗模量相当时，材料为半固态，凝胶即是一种典型半固态物质。弹性模量与材料的形变有关，粘性模量与材料的流动有关。许多高聚物在加工时有粘性和弹性特征，有的在加工时表现为类似粘性的液体，有的在加工时表现为类似弹性的胶体，这是材料在加工过程中弹性模量和粘性模量二者之间的平衡，弹性模量因子贡献大时表现固态或半固态，粘度模量因子贡献大是表现为粘液态[4]。

从图3、4、5分析可知，1#样品在40℃～75℃弹性模量G'小于粘性模量G”，随着温度的继续升高，出现弹性模量G'大于粘性模量G”。2#样品在40℃～55℃弹性模量G'小于粘性模量G”，随温度升高，出现弹性模量G'大于粘性模量G”。3#样品在40℃到80°℃弹性模量弹性G始终大于粘性模量G”。按照理论分类增塑糊属半固状，3#样品在该过程中PVC粒子间贡献的弹性模量突出，溶胶的粘性模量不及弹性模量，这种现象与PVC颗粒关系影响较大。

图4 2#样品弹性模量G'和粘性模量G”变化曲线图

图5 3#样品弹性模量G'和粘性模量G”变化曲线图

4 结论

聚合物流变学是一门复杂的学科，需要深入研究聚合物加工特性，方可解决后加工出现的应用问题。而旋转流变仪用科学的实验数据反馈聚氯乙烯糊树脂的加工特性，通过对实验数据的分析，并结合PVC糊树脂后加工特性，能够合理解释PVC糊树脂在后加工过程中出现的差异性原因。