Page 91 - 《橡塑技术与装备》2025年6期

测试与分析
TEST AND ANALYSIS

时效同步的毛细管流变物料零切黏度

动态反演方法

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李冰栩 ，宫正文 ，周士龙 ，刘岩 ，张国辉 2* ，张冰 1*
(1. 北京化工大学机电工程学院，北京 100029 ；
2. 山西北方兴安化学工业有限公司，山西 太原 030008)
摘要 ： 本研究针对毛细管流变仪无法直接测量零切黏度的问题，提出了一种时效同步的动态反演方法。研究将高速摄像机与
毛细管流变仪的数据时效同步，确保实验过程中压力、温度等关键数据的准确记录，结合高速摄像机画面，便于计算物料实时挤
出速率，减小了因数据时效不同步所造成的误差。研究采用幂律模型，通过实验与仿真相结合，提高测量精度计算零切黏度范围。
首先对毛细管流变仪做挤出实验，获得物料物料挤出速度实测值。仿真实验部分采用调试法，通过调整仿真输入参数，使仿真获
得的挤出速率与实验测得值匹配，从而推算物料的真实零切黏度。研究基于幂律模型推导了物料挤出速率与零切黏度的数学关系。
实验与仿真数据对比表明，该方法能够测得物料零切黏度范围，并最终确定实验物料零切黏度范围在 275~395 Pa·s。
关键词 ： 毛细管流变仪 ；零切黏度 ；时效同步 ；动态反演
中图分类号 ： TQ330.64 文章编号 ： 1009-797X(2025)06-0039-05
文献标识码 ： B DOI:10.13520/j.cnki.rpte.2025.06.009

0 引言 办法通过毛细管流变仪直接测得的，因此需要在实验
流变仪是用于研究材料在外力作用下的流动和流 过程中根据测得数据和已知的数据，再通过相应数学
变特性的仪器。它能够检测和量化材料的黏度、剪切 关系来进行动态反演求解 [3] 。
应力、剪切速率等流变学参数，帮助研究者了解材料 由于毛细管流变仪基础实验中挤出速度极快，挤
结构及其物理性能，对于优化加工工艺、提高产品质 出时长很短，导致根据普通摄像机拍摄画面计算出的
量至关重要。许多传统流变仪只能在低剪切速率或低 挤出速率误差较大。因此本研究引入使用高速摄像机，
应力条件下工作，难以测量高剪切速率下的流动行为。 并将高速摄像机拍摄画面与毛细管流变仪中物料参数
毛细管流变仪不仅可以用于测取物料的物性还可 数据精确对齐，时效同步。通过摄像画面，摄像机可
以用于研究挤出胀大等挤出过程中出现的问题 [1] 。根 以在物料挤出的瞬间开始同时记录压力、温度等传感
据运行方案不同分为恒压和恒速两种类型。恒压式毛 器的同步数据。这种方法确保了每一帧图像都对应有
细管流变仪是保持活塞杆的压力不变，测量物料从毛 精确的实验参数，再根据零切黏度与基础速率的数学
细管挤出的速度 ；恒速式毛细管流变仪是保持活塞杆 模型对零切黏度进行计算，得到物料零切黏度范围。
运动速度不变，测量口模出入口压力差。 如下图 1 所示为是国外一些知名公司所生产的高压毛
物料在料筒内经过导热油的热传导加热到熔融状 细管流变仪。
态，传感器测的此时的物料温度，当温度达到实验设
置的温度时，柱塞杆在动力系统的驱动下将熔融态物 1 实验原理与实验准备
料从毛细管口模中挤出，当物料通过毛细管时，受到 1.1 实验原理
剪切应力的作用而发生流动和变形，在这个过程中， 针对零切黏度的数值获取问题，采用了一种创新
毛细管内的流体表面张力效应和物料的黏性特性对物 的方法 “ 调试法 ”。具体而言，通过改变仿真输入中
料的流动行为有重要影响。表面张力会导致毛细管内
产生一定的压力梯度，而物料的黏性则决定了其流动 作者简介 ：李冰栩（2001-），男，硕士研究生在读，主要
从事精密挤出成型工艺与设备方面的研究。
[2]
的阻力 。而物料的物性参数（如零切黏度）是没有
* 为通讯作者
2025 第 51 卷 ·39·
年