中華人民共和國化工行業(yè)標準橡膠流變性能的測定柱塞式毛細2012-05-24發(fā)布2012-11-01實施HG/T本標準按照GB/T1.1—2009給出的規(guī)則起草。本標準使用重新起草法參考ASTMD5099—2008《毛細管流變儀測定橡膠流變性能的試驗方法》(英文版)編制，與ASTMD5099—2008的一致性程度為非等效。本標準附錄A為資料性附錄。本標準由中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會提出。本標準由全國橡膠與橡膠制品標準化技術(shù)委員會通用試驗方法分技術(shù)委員會(SAC/TC35/SC2)歸口。本標準為首次發(fā)布。1HG/T4300—2012橡膠流變性能的測定柱塞式毛細管流變儀法者有責任采用適當?shù)陌踩徒】当Ｗo措施，并保證符合國家有關(guān)法規(guī)規(guī)定的條件。本標準規(guī)定了用柱塞式毛細管流變儀測定橡膠(生膠或混煉膠)流變性能的方法。流變性能用于表征材料的流動性能，此性能與實際加工過程直接相關(guān)。本標準適用于生膠和混煉膠。2規(guī)范性引用文件下列文件對于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T2941橡膠物理試驗方法試樣制備和調(diào)節(jié)通用程序(ISO23529)GB/T5576橡膠與膠乳命名法(ISO1629)GB/T6038橡膠試驗?zāi)z料配料、混煉和硫化設(shè)備及操作程序(ISO2393)GB/T14838橡膠與橡膠制品試驗方法標準精密度的確定(ISO/TR9272)GB/T15340天然、合成生膠取樣及其制樣方法(ISO1795)下列術(shù)語及定義適用于本標準。p料筒中毛細管口模入口處與出口處的壓力差。體積流動速率volumetricflowrateQ單位時間內(nèi)流經(jīng)毛細管口模的試樣體積。表觀剪切速率apparentshearrate假定橡膠擠出物為牛頓流體，由體積流動速率得到的對應(yīng)于毛細管口模管壁處的非真實剪切速率。表觀剪切應(yīng)力apparentshearstress橡膠試樣在毛細管口模管壁處受到的非真實剪切應(yīng)力。2HG/T4300—2012注：由毛細管口模截面積與毛細管口模內(nèi)壁表面積之比乘以試驗壓力計算得到。Tap的單位用真實剪切應(yīng)力trueshearstressT橡膠試樣在毛細管口模管壁處受到的實際剪切應(yīng)力。注1:該值用經(jīng)過進出口壓力損失修正后的試驗壓力p計算；或者由流道中橡膠試樣的壓力梯度確定。注2:不帶下角標的符號表示真實值。t的單位用帕斯卡(Pa)表示。真實剪切速率trueshearratey考慮橡膠試樣流動行為與牛頓流體的偏離程度，將表觀剪切速率Yap進行修正(見9.2的注)得到的剪切速率。注：不帶下角標的符號表示真實值。y的單位用秒的倒數(shù)(s1)表示。3.7表觀剪切黏度apparentshearviscosity表觀剪切應(yīng)力tap與表觀剪切速率Yap之比，即Tap/Yap。Bagley修正的表觀剪切黏度BagleycorrectedapparentshearviscosityapB真實剪切應(yīng)力t與表觀剪切速率Yap之比，即t/Yap。Rabinowitsch修正的表觀剪切黏度Rabinowitschcorrectedapparentshearviscosity表觀剪切應(yīng)力Tap與真實剪切速率氵之比，即Tap/y。注：該術(shù)語適用于可忽略入口效應(yīng)的大長徑比單口模的試驗。7pr的單位用帕斯卡·秒(Pa·s)表示真實剪切黏度shearviscosityη穩(wěn)態(tài)剪切流動中，剪切黏度為真實剪切應(yīng)力t與真實剪切速率氵之比，即t/r。黏度不依賴于剪切速率和時間的流體。非牛頓流體non-newtonianfluid黏度隨剪切速率或時間變化而變化的流體。3.13此類流體的剪切應(yīng)力與剪切速率呈如下關(guān)系：3t=KyNy——剪切速率；完成料筒加料到測量開始之間的時間間隔。完成料筒加料到測量結(jié)束之間的時間間隔。出現(xiàn)下列任一情況時毛細管口模管壁處的剪切應(yīng)力值：——擠出物離開口模時變得粗糙(或有波紋)。yc與臨界剪切應(yīng)力相對應(yīng)的剪切速率。4原理和應(yīng)用意義將生膠或混煉膠料裝于柱塞式毛細管流變儀圓柱形料筒內(nèi)，將試樣加熱到設(shè)定溫度后，由驅(qū)動裝置驅(qū)動柱塞在料筒內(nèi)以恒定速率或恒定壓力擠壓試樣，強迫試樣通過料筒底部的毛細管口模以測定其流變性能。通過對試樣在毛細管口模中的流場分析，計算剪切應(yīng)力、剪切速率和剪切黏度等。4.2.1本方法得到的數(shù)據(jù)信息能指導(dǎo)工藝、控制質(zhì)量和配方研發(fā)。4.2.2對于生膠，流變參數(shù)能夠反映材料的分子量及分子量分布，可以對生膠進行質(zhì)量控制及區(qū)分不4.2.3對于混煉膠，其剪切黏度不僅與膠料的結(jié)構(gòu)圖1中只列出與測量相關(guān)的部件，另外還有一些沒有列出的關(guān)鍵部件，諸如合適的支撐、驅(qū)動組件以及將毛細管口模固定在料筒內(nèi)的固定裝置。如果是通過壓力傳感器測量毛細管口模的入口壓力降，4HG/T4300—2012則無需測量柱塞施加的壓力。圖1柱塞式毛細管流變儀示意圖為金屬材質(zhì)，內(nèi)徑在9mm～22mm之間，精確到0.1mm,長度在40mm～450mm之間。料筒裝有加熱部件，可以控制筒壁達到所要求的溫度，距離毛細管口模50mm的一段料筒區(qū)域內(nèi)恒定控溫誤差應(yīng)在±0.5℃以內(nèi)。5.3毛細管口模毛細管口模需緊密地安裝在料筒底部，兩種常用的毛細管口模如圖2所示，尺寸見表1。5HG/T4300—2012表1毛細管口模尺寸毛細管長度(L)/mm毛細管內(nèi)徑(D)/mm入口角(a)/()毛細管長徑比(L/D)8A—A圖2毛細管口模示意圖5.3.2為了計算，毛細管長度測量誤差不應(yīng)超過0.1mm,內(nèi)徑誤差不應(yīng)超過士0.005mm,經(jīng)測量得到的尺寸直接用于計算。5.3.3毛細管口模溫度在測試之前恒定維持在設(shè)定溫度的士0.5℃內(nèi)，一般可以采用分區(qū)加熱裝置。壁的摩擦作用而影響測量值。如有需要，可以使用聚四氟乙烯(PTFE)密封圈。摩擦力的作用，可以通過在試驗溫度下進行空載試驗來評估。5.4.1柱塞控制方式可以分為恒速型或恒壓型。恒速型控制方式可以通過機械或液壓實現(xiàn)。在整個試驗范圍內(nèi)，柱塞的運動速率誤差控制在±0.5%內(nèi)。在一些恒速型控制的儀器中，測力元件安裝在驅(qū)動壓頭位置，通過力值傳感器或液壓表測量。所測的力與實際對試樣施加的力有±0.5%的差別(見注)。現(xiàn)在大多數(shù)恒速型儀器采用安裝在毛細管口模入口處的壓力傳感器直接測量入口壓力降，避免了注：對于未采用壓力傳感器測量口模入口壓力降的柱塞式毛細管流變儀，測量的壓力值包括摩擦力的影響，約為5.4.2恒壓型控制方式是通過砝碼重力、氣壓或液壓等方式實現(xiàn)。柱塞壓力的測量誤差應(yīng)控制在設(shè)定值的0.5%內(nèi)。柱塞壓力的測量是通過柱塞上部的液壓或者力值傳感器實現(xiàn)的。65.4.3橡膠試樣的入口壓力降可以通過安裝在口模入口處的壓力傳感器直接測得。5.5.1機械校準包括壓力傳感器校準、溫度校準、驅(qū)動壓頭運行距離校準等。具體方法可參照毛細管流變儀廠家的校準方法。注：新的毛細管口模一般可滿足試驗的要求，但不能保證使用過的口模也能滿足要求。所以在多數(shù)情況下，建議用量規(guī)準確測量毛細管口模尺寸并使用標準試樣和標準口模定期進行校準。可以選用一種性質(zhì)穩(wěn)定的橡膠作為標準6.2按GB/T15340規(guī)定制備試樣，混煉膠的配料、混煉的設(shè)備和操作程序應(yīng)符合GB/T6038的表2中列出常用材料的參考試驗溫度，也可以根據(jù)材料的實際使用情況設(shè)定其他試驗溫度，但不應(yīng)超過硫化溫度，試驗溫度的選擇應(yīng)按照GB/T2941的規(guī)定進行。橡膠名稱試驗溫度/℃NR天然橡膠BR丁二烯橡膠CR氯丁二烯橡膠IR合成異戊二烯橡膠SBR苯乙烯-丁二烯橡膠IIR丁基橡膠EPDM乙烯、丙烯與二烯烴的三聚物母煉膠終煉膠注：橡膠命名方式按照GB/T5576進行。7.2毛細管口模選擇推薦使用長度16mm或8mm、內(nèi)徑1.0mm、入口角180°的毛細管口模(見表1),當推薦尺寸不適試樣的調(diào)節(jié)應(yīng)符合GB/T2941中的規(guī)定。試驗前應(yīng)確保料筒、毛細管口模的清潔。檢查壓力傳感器的插入孔、柱塞和毛細管口模上無黏附異7HG/T4300—20128.2安裝毛細管口模根據(jù)要求選擇毛細管口模并安裝到柱塞式毛細管流變儀上。8.3儀器預(yù)熱裝料之前，將毛細管流變儀預(yù)先加熱至試驗溫度，并恒溫15min,等待所有裝配部件均達到熱平衡，同時校零壓力傳感器或力值傳感器。8.4試樣的準備用專用剪刀將樣品制成大約5mm(長)×5mm(寬)×2mm(厚)的顆粒狀試樣。然后，將制好的試樣分次裝填入料筒中，每次裝填試樣高度約25mm。每次裝填后，均應(yīng)使用不銹鋼、銅制或鋁制金屬桿將填入的試樣壓實，以避免裹入空氣。注：對于某些試樣，可以通過柱塞將試樣壓實，然后去掉壓力，即可排除包裹進去的空氣。8.5試樣預(yù)熱時間的選擇加料后立即開始預(yù)熱計時，在恒壓或恒速下將料筒中的試樣擠出小部分，然后停止擠出或流動。不同內(nèi)徑的料筒，試樣的預(yù)熱時間也不同，具體預(yù)熱平衡時間見表3(試驗溫度低于200℃)。表3不同料筒內(nèi)徑的預(yù)熱平衡時間(試驗溫度低于200℃)9預(yù)熱時間/min246注：表3中參考值是指在試驗溫度低于200℃時的預(yù)熱時間，如果試驗溫度高于200℃,則需要根據(jù)實際情況延長預(yù)熱時間。8.6毛細管擠出過程8.6.1開啟驅(qū)動裝置使柱塞在料筒中以設(shè)定的移動速率(對應(yīng)特定的體積流動速率和表觀剪切速率)8.6.2對于恒速型毛細管流變儀，若毛細管口模入口處裝有壓力傳感器，在設(shè)定的表觀剪切速率下，試樣的壓力曲線須達到穩(wěn)定狀態(tài)。8.6.3對于恒壓型毛細管流變儀，若通過測量柱塞上的力值計算入口壓力降，需要等待力值曲線達到穩(wěn)定狀態(tài)。由于柱塞在擠壓某些橡膠試樣時有能量損耗，擠出時所記錄的力值是通過外推得到的，即料筒長度為零(柱塞直接接觸口模)時的力。注：壓力傳感器和力值傳感器所測的壓力讀數(shù)和力值讀數(shù)波動小于1%時可以認為是達到穩(wěn)定狀態(tài)。8.7試驗結(jié)束擠出余料，卸下毛細管口模，用專用清洗工具和干凈的紗布清洗柱塞頭、料筒，并用清針清洗毛細管8.8數(shù)據(jù)處理保存試驗數(shù)據(jù)，并進行計算或數(shù)據(jù)處理。9結(jié)果表示9.1體積流動速率體積流動速率Q(mm3/s),可用以下式(1)或式(2)進行計算：Q=A×v (2)A柱塞的截面積，單位為平方毫米(mm2);v柱塞的下降速度，單位為毫米每秒(mm/s);8HG/T4300—20129.2表觀剪切速率式中：9.3表觀剪切應(yīng)力 9.4真實剪切應(yīng)力9.4.1概述真實剪切應(yīng)力使用Bagley修正法獲得(見9.4.2)。9.4.2毛細管口模Bagley修正用下列方法測定進出口壓力損失之和。a)方法A1,至少用三個以上內(nèi)徑和入口角度都相同但長徑比L/D不同的口模，如(L/D)?<9HG/T4300—2012圖3Bagley修正法的應(yīng)用——不同L/D的表觀剪切速率Yap對試驗壓力p的關(guān)系圖b)方法A2,至少用三個以上內(nèi)徑和入口角度都相同但長徑比L/D不同的口模，如(L/D)?<(L/D)?<(L/D)?,測定試驗壓力p作為毛細管壁的表觀剪切速率Yap的函數(shù)。c)使用從a)或b)得到的數(shù)據(jù)繪出不同的長徑比L/D下試驗壓力p對表觀剪切速率Yap的關(guān)系圖(見圖4)。這樣的結(jié)果即所謂的Bagley線，其斜率為真實剪切應(yīng)力的4倍。將Bagley線上的每個表觀剪切速率Yap外推到壓力為零(見圖4),修正后的縱坐標pc為口模入口HG/T4300—2012pp-PcL/D(L/D)?(L/D)?(L/D)?L/D圖4毛細管口模的Bagley修正示意圖 (5)應(yīng)用Weissenberg-Rabinowitsch修正方法，由表觀剪切速率計算毛細管口模壁上的真實剪切速率y,用式(7)進行 (7)室內(nèi)重復(fù)試驗為短時間周期，即幾小時至1天內(nèi)測定。室間試驗也采用短時間周期，即2天內(nèi)試驗用未硫化混煉膠種類與試驗條件見表A.1。水平試驗?zāi)z種試驗溫度/℃膠種產(chǎn)地1NR(STR20)泰國2BR(9000)中國(燕山)3NR(3RSS)泰國試驗室溫度和濕度下調(diào)節(jié)2h～24h。料筒內(nèi)徑與口模內(nèi)徑之比為15:1,毛細管口模長徑比為16:1,入口角為180°。對于每種試樣，分別選取7個不同的剪切速率進行剪切黏度的測定。按照GB/2.94E十03平均值X/Pa·s6.39E+034.66E+033.91E+032.82E+032.26E+0390.5860.2427.8185.26256.34217.8585.72241.29202.23412.18215.01291.66336.90322.414.39表A.4NR(3RSS)(密度：0.910g/cm3)剪切黏度的精密度數(shù)據(jù)剪切速率/s-1R=2.8SR。董文武黃中瑛蔣琦李如鐵汪慶慶(雙錢輪胎集團上海輪胎研究所，上海)nsosn(oasnsosn(oashdB20η=K·n式(1)extensionalviscosityextensionalviscosity(kPaExtensionalviscositykPa*s0.3630694248.6340.6501513002.5142051.2142.2735924.180185981.39747.979566729.0714extensioralvscosiyvsextersionalateextensioralvscosiyvsextersionalateextensionalrate(s)654.862921.54739671.81736.62957608.033L/D=0.17LD=16ShearrateShearrate333 2010年泛長三角地區(qū)橡膠技貿(mào)交流暨信息發(fā)布會326-UD=017采用不同長徑比的口模在剪切速率3-139s-1之間