聚合物粘弹性测量参数优选

摘要 聚合物溶液是一种具有黏度的流体。通过大量数据和资料研究，黏度的测量因受其自身屈服力的影响而产生较差的重现性。针对目前使用的粘度计的缺陷，改用TA流变仪并对其使用方法进行优化以寻求一个更为精准的测量数据。通过正交试验，得到流变仪的最佳测量条件。

主题词 聚合物 粘弹性 流变学

【分类号】：TE357.6

1.聚合物粘弹性研究

1.1聚合物

聚合物又可称为高分子或大分子，也是一般所俗称的塑料或树脂。根据美国材料试验协会所下的定义，塑料乃是一种以高分子量有机物质为主要成分的材料，它在加工完成时呈现固态形状，在制造以及加工过程中，可以藉流动（flow）来造型。聚合物是由许多较小而结构简单的单体，藉共价键来聚合而成的。聚合物的种类繁多，在日常生活中，我们常常见到的塑料、橡胶及合成纤维都是高分子聚合物，组成它们的高分子是由某些单体分子通过主价键，也就是共价键彼此重复地结合起来的链状大分子。其中，塑料是我们最熟悉的聚合物材料之一，一般对塑料由热之变化来分类。

1.2黏度

一般的，黏度（viscosity）是指流体流动时在与流动方向垂直的方向上产生单位速度梯度所需要的剪应力。显然，这里所定义的黏度指的是剪切黏度。在同样的流动情况下，流体的黏度越大，流体流动时产生的内摩擦力就越大。由此可见，黏度是反映流体黏性大小的物理量。在一般情况下，我们定义的黏度是指聚合物熔体在剪切下剪切黏度，按国际单位，黏度的单位为帕秒（Pa・s）。

1.3流变力学

流变力学，是指研究材料流动与形变的科学。而研究各种聚合物在受热时温度提高且逐步熔融的过程中，发生的形变、流动及最后成型的规律，显然是很重要的一个因素。由于聚合物粘性很强，在成型流动时其雷诺数很小，不到100，而形成紊流的雷诺数一般在2300以上。因此，关于聚合物熔体的流动一般为层流。

2.粘弹性测量现状分析

2.1常规流变仪

目前用于聚合物粘度常规测量的仪器是BROOKFIELD公司生产的RL转子粘度计，只能测量固定转速下聚合物的剪切粘度。

表1 VII型粘度计测量数据

图1 VII型粘度计测量黏度数据

表1是同一个聚合物溶液（分子量2500万，浓度2000mg/L）重复测量15次的粘度数据。显然，这种粘度计的测量重现性并不突出。对此图1显示得更加明显。这是粘度计的工作原理导致的。

图2 VII型粘度计测量原理

同步电机以一定的速度转动，转子通过弹簧以同速转动，由于待测液的粘滞力，弹簧在一定温度和转速下被扭转到一定程度达到平衡。弹簧产生的扭矩的大小反映出试液黏度的大小。则所测的的黏度ηa为

其中：M―弹簧的力矩，N・cm；R1―转子的半径，cm；I―转子的长度，cm；Q―转子转速，cm/s。

当待测的聚合物溶液黏度过大时，弹簧产生的扭矩较大。这将导致转子自身的扭矩不可忽略，使得测量结果偏离正常值。

为了提高测量数据的重现性，选择测量精度更高的流变仪显得尤为重要。

2.2 TA流变仪

TA公司生产的ARES-G2旋转流变仪目前也属于使用较为成熟的仪器，是应用于材料开发领域最具特色的旋转流变仪，是唯一的一款采用马达与传感器分离设计的商用流变仪。其作为市场上少有的几种拉伸黏度仪，主要具有以下的优势和特点：

（1）可进行动态振荡模式测量；（2）可进行多重拉伸实验；（3）采用力与扭矩的再平衡传感器；（4）多波模式分析；（5）在剪切和扭转模式下控制轴向力；（6）可以同时测量流体、熔体和固体剪切和拉伸。

3.测量误差来源分析

3.1 仪器分析

TA流变仪分别由：空气压缩机，恒温水浴，空气马达及扭矩传感器，椎板测量模具，电源箱和电脑等五个部分组成。

空气压缩机提供空气马达所需的动力，恒温水浴提供样品测量所需的环境温度，而马达和传感器均属于内部参数设定好的部件。它们对黏度测量虽然很重要，但是当它们稳定工作之后对试验几乎不产生影响。

3.2 测量点分析

聚合物对剪切应力的反应存在延迟，不同黏度的溶液在剪切速率发生改变时，存在一定的滞后。因此，当改变剪切速率时，应当让传感器等待一小段时间以确保聚合物的黏度更接近真值。然而，过长的测量时间会导致聚合物产生应力松弛。综合考虑，改变剪切速率时，每个测量点前后都应该存在一定的读数延迟。

4.结论

4.1流变仪在测量聚合物黏度上比粘度计更具优势。

4.2流变仪的最佳测量条件为：样品体积控制在1.4mL，慢速下落锥板，每次实验控制平衡时间和平均时间在5s，如实验多次需连续操作，重新调零对系统的误差影响较大。

参考文献

[1] 高振环等编.聚合物分子量与驱油效果关系的实验研究[J].大庆石油地质与开发，1994（2）.

[2] 高树棠等编译.聚合物驱提高原油采收率[J].北京石油工业出版社，1996.

作者简介 赵亮（1986年4月）男 采油六厂试验大队 助理工程师