聚異戊二烯膠液流變性能測試探索

張 姝，郭睿達(dá)，侯立波，王紹江，侯 軍

(1.中國石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021；2.中國石油吉林石化公司 物資采購公司，吉林 吉林 132022)

聚異戊二烯膠液是異戊橡膠生產(chǎn)中的聚合產(chǎn)物，對于其品質(zhì)的控制我們通常采用測定其黏度的方法。然而聚異戊二烯膠液屬于黏彈性流體，在流變特性分析檢測中采用傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)原理測試存在很多弊病。膠液中的溶劑易揮發(fā)，而且測試過程中存在爬桿現(xiàn)象，嚴(yán)重影響測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，顯示不出膠液的實(shí)際黏度。查閱了相關(guān)資料后了解到，對于這種流體不應(yīng)該采用傳統(tǒng)的黏度測試方法，因而選擇了錐板式流變儀進(jìn)行流變特性測試。通過改變樣品受到的剪切速率，不僅可以測試膠液的黏度，并且也可以測試其流變性及觸變性。

1 原料部分

1.1 原料與儀器

聚異戊二烯：工業(yè)品，中國石油吉林石化研究院。流變儀：美國博力飛公司R/S 錐板流變儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

聚異戊二烯：工業(yè)品，中國石油吉林石化研究院。取低黏度和高黏度聚異戊二烯膠液各1份,分別在25 ℃、120 s，剪切率在0～500 s-1條件下測定膠液黏度，然后在相同溫度和時間下將剪切率設(shè)定500～0 s-1再進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 低黏度膠液測試

2.1.1 測試條件

溫度25 ℃，剪切率變化區(qū)間：第一步時間120 s，剪切率0～500 s-1；第二步時間120 s，剪切率500～0 s-1。

2.1.2 測試結(jié)果

低黏度膠液測試結(jié)果見圖1。

D/s-1圖1 低黏度膠液測試結(jié)果

由圖1可見，聚異戊二烯膠液黏度在0～500 s-1時，隨著剪切率的增加而黏度變小，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定的剪切率后黏度基本不變；在此基礎(chǔ)上減小剪切率，即在500～0 s-1時，黏度又逐漸增大，但不能恢復(fù)到原來的黏度，說明在剪切過程中結(jié)構(gòu)受到了破壞，因此形成了觸變環(huán)，該流體具有一定的觸變性。觸變環(huán)面積大小衡量了流體結(jié)構(gòu)破壞后回復(fù)的快慢，面積越大表示回復(fù)受到空間位阻大，回復(fù)困難。因此從圖1可以看出，低黏度聚異戊二烯膠液趨于牛頓流體。

2個步驟中的測試結(jié)果的差異衡量了膠液的觸變特性，反映了流體在剪切過程中的變化。

剪切后低黏度膠液的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

因?yàn)闃悠酚靡淹樽鳛槿軇?，并且可能會含有少量的異戊二烯單體，所以溶劑易揮發(fā)。在圖2中顯示了樣品在最初幾個測試點(diǎn)的數(shù)據(jù)由于溶劑揮發(fā)后，在剛開始測量時樣品的黏度隨溶劑的揮發(fā)而增強(qiáng)，明顯要高于第1次的測試，但隨著剪切率的提高，樣品的黏度逐漸趨于穩(wěn)定并且與第1次測試的結(jié)果相近。

D/s-1圖2 剪切后低黏度膠液的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

2.2 高黏度膠液

2.2.1 測試條件

溫度25 ℃，剪切率變化區(qū)間：第一步時間120 s，剪切率0～500 s-1；第二步時間120 s，剪切率0～500 s-1。

2.2.2 測試結(jié)果

高黏度膠液測試結(jié)果見圖3。

D/s-1圖3 高黏度膠液測試結(jié)果

由圖3可見,高黏度的膠液與稀黏度的膠液都有明顯剪切變稀的傾向，但是可以發(fā)現(xiàn)高黏度的膠液具有相當(dāng)大的觸變環(huán),說明比稀膠液有明顯的觸變性，因此高黏度聚異戊二烯膠液屬于非牛頓流體。

剪切后高黏度膠液的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)見圖4。

圖4中顯示樣品在經(jīng)過第一次剪切(測量)過程后，第二次的黏度和觸變環(huán)明顯變小，說明該樣品不能恢復(fù)到初始狀態(tài)，分子鏈結(jié)構(gòu)受到一定的破壞，可能發(fā)生了新的排列，因此呈現(xiàn)出凝膠態(tài)的特征。

由于同樣的黏度計(jì)、同一個轉(zhuǎn)速測定黏度結(jié)果相差較大，為了能解釋這樣的現(xiàn)象，對這個樣品，進(jìn)行了恒定轉(zhuǎn)速的測試。

D/s-1圖4 剪切后高黏度膠液的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

2.3 恒剪切率時黏度的測定

2.3.1 測試條件

溫度25 ℃，剪切率20 s-1，測定時間120 s。

2.3.2 測試結(jié)果

取高黏度膠液1份在上述條件下進(jìn)行測試，結(jié)果見圖5。

t/s圖5 恒剪切率下黏度與時間曲線

由圖5可見，當(dāng)樣品受到恒定剪切的時候，發(fā)生了連續(xù)結(jié)構(gòu)重排使得黏度不斷變?。煌瑫r樣品黏度出現(xiàn)了波浪狀，說明高分子長鏈在受到同一方向恒定應(yīng)力后，出現(xiàn)了伸張和回復(fù)的現(xiàn)象。這是一個非常典型的黏彈性流體的流變狀態(tài)，因而不應(yīng)該用傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)的方法測定黏度，根據(jù)實(shí)際情況，選擇當(dāng)剪切率在0～500 s-1時測試的曲線中拐點(diǎn)所對應(yīng)的黏度值作為該聚異戊二烯膠液性能的表征。

3 結(jié) 論

研究發(fā)現(xiàn)，聚異戊二烯膠液屬于黏彈性流體，旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)不能描述膠液的真實(shí)黏度。通過測定聚異戊二烯流變特性來測試黏度，進(jìn)而考察剪切率對黏度的影響，從而在膠液的輸送過程中，可以根據(jù)相應(yīng)黏度所對應(yīng)的剪切率調(diào)整泵的揚(yáng)程，以保證聚異戊二烯膠液正常的傳送。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 王槐三,寇曉康．高分子物理教程(第一版)[J]．北京： 科學(xué)出版社，2008：139-156.

[2] 吳其曄,巫靜安．高分子材料流變學(xué)(第一版)[J]．北京：高等教育出版社，2002：1-85.

[3] 徐佩弦．高聚物流變學(xué)及其應(yīng)用(第一版)[J]．北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2003：13-180.