塑料 聚合物熔体瞬间拉伸黏度的测定-编制说明

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1、 塑料塑料 聚合物熔体瞬间拉伸黏度的测定聚合物熔体瞬间拉伸黏度的测定 Plastics Determination of the transient extensional viscosity of polymer melts 编制说明编制说明 （征求征求意见意见稿稿） 中国石化北京化工研究院 标准制定工作组 二 O 一九年十二月 1 1. 任务来源任务来源 国家标准化管理委员会 2018 年发布的文件国家标准化管理委 员会关于下达第四批推荐性国家标准计划的通知 ，下达了国家标准 塑料 聚合物熔体瞬间拉伸黏度的测定的制定任务，计划编号为 20184781-T-606。本标准由中国石油和化学工业

2、联会提出，由全国塑 料标准化技术委员会通用方法和产品分技术委员会 （SAC/TC15/SC4） 归口。本标准主导起草单位为中国石化北京化工研究院，中国石油天 然气股份有限公司石油化工研究院、 中国科学院化学研究所和安东帕 商贸（上海）有限公司等参与。 2. 行业概况行业概况 聚合物熔体或溶液的黏度是一个重要的材料参数， 其物理意义是 流体材料抵抗变形的性质。相比较为常见的剪切黏度，拉伸黏度通常 测量较困难，研究也较少，但是其意义同样非常重要。首先，拉伸黏 度和很多加工成型过程有关，比如在纺丝、吹塑、吹膜和压延等工艺 中， 都是聚合物的拉伸流动起主导作用， 而在挤出等其他生产过程中， 聚合物往往

3、也是处于剪切和拉伸的混合状态中， 在这些生产工艺的研 究和优化方面，拉伸黏度的测量必不可少。其次，拉伸黏度和聚合物 的分子结构有很大的关系， 例如在高应变下拉伸黏度对聚合物分子上 的长支链非常敏感， 测量拉伸黏度有助于更好地研究聚合物分子结构 和流变性能。最后，由于拉伸黏度和剪切黏度性质不同、差别较大， 在 CAE 计算模拟和理论分析等方面，需要考虑到聚合物的这些特殊 流变性能。因此，建立关于聚合物熔体拉伸流变性能的统一标准，对 于聚合物结构和性能的评价、聚合物加工性能的提高、塑料成型工艺 的开发改进和相关产品的贸易都有巨大的促进作用。 我国对拉伸黏度的分析评价还处在初始阶段，有关的研究较少。

4、 近些年来人们对聚合物流变学越来越重视， 对于流变性能的研究取得 2 了相当大的进步， 但是对聚合物的流变行为和加工性能间的关系还不 甚了解，要透彻地研究聚合物熔体或溶液的拉伸流变性能，还需要做 大量的探索工作。 本标准中聚合物熔体瞬间拉伸黏度的方法的建立为 探索聚合物拉伸黏度的测试方法做了开拓性的一步， 提供一条建立科 学化、统一化的标准测试方法的实践之路。将此方法引入作为国家标 准体系中， 可以促进我国聚合物加工性能的研究和聚合物产品指标统 一化和国际化进程，在流变学的研究和应用中占领先机。 3. 国内外有关标准情况国内外有关标准情况 为了解聚合物熔体拉伸黏度性能测定的相关标准情况， 在接

5、到任 务后，标准制定工作组立即进行了标准调研工作。结果表明，我国目 前的标准体系中只有针对聚合物熔体或溶液剪切黏度的测试标准， 尚 无对聚合物拉伸流变性能的测试方法或相关的标准。 国际上测量瞬间拉伸黏度的标准是 ISO 20965:2005，目前是第 1 个版本，发布时间是 2005 年 2 月 15 日，英国等同采用此标准为国家 标准。 4. 主要主要工作工作过过程程 4.1 前期调研 在接到任务后， 第一起草单位于 2019 年初开始标准的研究工作， 查阅了相关的标准和文献， 同时对国内外相关的仪器和使用情况进行 了调研。 4.2 成立工作组以及第一次工作会议 全国塑料标准化技术委员会于

6、2019 年 06 月 12 日-06 月 14 日在 四川省成都市顺利召开塑料 环境影响 标准中环境影响的指南等 十二项国家标准工作会议，北京燕山石化高科技术有限责任公司、上 海金发科技发展有限公司、广州合成材料研究院有限公司、中国石油 化工股份有限公司北京化工研究院和中蓝晨光成都检测技术有限公 3 司等共 28 个单位的 39 名代表参加会议。 与会代表一起对标准内容进 行讨论，商定了工作进度，形成如下会议成果： 1. 尽快落实验证试验所需材料。 2. 尽快落实试验方案。 3. 进度安排，确定了整体的工作进度安排。任务目标包括：确定 试验方案，样品制备；测试并记录；测试数据收集整理，结 果

7、分析；编制征求意见稿；征求意见；送审资料编制；审查； 报批等。 4. 工作组成员。 会上中国石油天然气股份有限公司石油化工研究 院加入工作组，会后联系中国科学院化学研究所和安东帕商 贸（上海）有限公司参与加入工作组。 会后工作组根据专家的意见对标准进行了试验验证， 并收集整理 了实验验证数据，整理形成征求意见材料。 5. 标准标准主要主要内容内容说明说明 5.1 标准编制原则 本标准在编制过程中体现如下原则： 1. 注意与相关领域法律、法规和规章、国家标准等的兼容性和协 调一致，有利于标准的执行； 2. 内容具有规范性、科学性、先进性、合理性、可行性； 3. 注意图表的统一性； 4. 力求简单

8、、清晰、实用性强、适用面广，便于使用人员理解和 操作。 5.2 主要内容确定 本标准等同采用 ISO 20965:2005，主要内容一致。 第 1 章规定了标准的适用范围， 标准主要描述在恒定应变速率和 恒温条件下的拉伸黏度测试方法。 第 3 章术语和定义，主要是拉伸流变相关的物理量。 4 第 4 章原理，指出拉伸黏度与不稳定流变行为相关的特点，瞬间 拉伸黏度一般是应变、应变速率和温度的函数。 第 5 章设备，在 5.1 节描述了 4 种夹具类型，包括了旋转夹具、 平移夹具和固定夹具的各类组合；5.2 节规定了试样室的硅油浴/温控 腔的要求；5.3 节对温度测量和控制的精度做了要求；5.4 节

9、和 5.5 节 分别对应变、应变速率和力的测量做了规定；5.6 节是对仪器定期校 准的规定。 第 6 章规定了取样和试样制备的要求，试样可以由挤出、注塑、 压塑等方法制成圆柱形或矩形。 第 7 章规定了试验的具体步骤，以及要记录的数据。 第 8 章中对瞬间拉伸黏度的具体计算过程进行了推导， 并对旋转 夹具和平移夹具下， 夹具旋转速度或移动速度与试样应变速率的关系 进行了分析。 第 9 章精密度，由于本测试方法需要测试的力值较小，不同实验 室间的结果可能差别较大。 附录 A 中提供了硅油或其他流体浴对聚合物溶胀的影响和检查 方法。 附录 B 中对本方法的不确定度进行了推导和计算，并给出了 HDP

10、E 的一个不确定度的示例。 6. 标准标准主要主要技术技术内容内容及及分析分析 本标准主要规定了在恒定应变速率和恒温条件下测量单轴拉伸 的聚合物熔体的瞬间拉伸黏度的方法。 在第 5 章设备部分，本标准包括了 4 种类型的夹具，由于旋转夹 具能更好控制试样的应变速率， 且能在较小空间中测量大应变下的数 据，因此使用更加方便，但是平移夹具只要满足要求也能使用。 对仪器的其他要求包括仪器对温度、应变、应变速率和力的控制 5 和测量精度，由于本测试方法需要测试的力值较小，对力值测量装置 的精度要求有所放宽，要求力值测量装置的精度在满量程的2%内， 最好是在2%绝对值内。 第 6 章对试样进行了规定，试

11、样可由多种方法制备，只要满足尺 寸要求，并且没有任何可见的缺陷。 第 7 章中对测试可能的影响因素进行了讨论，包括仪器柔量、末 端效应、应变和应变速率测量误差、热膨胀和应力松弛等，在必要时 可做修正。 由于在不同的夹具拉伸情况下， 试样的应变和应变速率等的计算 方法不同，第 8 章对这些计算公式进行了推导，在附录 B 中进一步 分析了瞬间拉伸黏度的不确定度， 并指出力值测量的准确性是影响结 果准确性的最大因素。 7. 与与国内、国内、国外国外同类同类标准标准水平水平的的对比对比情况情况 国内尚无测试聚合物熔体瞬间拉伸黏度的标准， 国际上测量瞬间 拉伸黏度的标准是 ISO 20965:2005，

12、本标准等同采用此 ISO 标准。 8. 与与现行法律、法规现行法律、法规和和强制性强制性标准标准的的关系关系 本标准属于测试方法标准，与现行相关法律、法规和强制性标准 无冲突。 9. 重大分歧意见的处理经过重大分歧意见的处理经过和依据和依据 无。 6 10. 作作为为强制性标准或推荐性标准的建议强制性标准或推荐性标准的建议 本标准建议作为推荐性标准。 11. 贯彻实施标准的措施和建议贯彻实施标准的措施和建议 建议在相关会议上介绍该标准的内容，使各企业和科研院所熟悉 该标准。 12. 修订或废止其他有关标准的建议及说明修订或废止其他有关标准的建议及说明 无。 13. 其它应予说明的事项其它应予说

13、明的事项 无。 7 附件 1： 塑料塑料 聚合物熔体瞬间拉伸黏度的测定聚合物熔体瞬间拉伸黏度的测定 验证试验验证试验报告报告 1、试验试验部分部分 1.1 试验样品 为了更好地反映本标准测试方法的普适性， 验证试验选取了多种 树脂样品，涵盖了不同类型的聚烯烃，包括高密度聚乙烯（HDPE） 、 低密度聚乙烯（LDPE） 、线性低密度聚乙烯（LLDPE） 、聚丙烯（PP） 和带长支链的聚丙烯（LCB PP） 。试验样品均由中国石油天然气股份 有限公司石油化工研究院提供， 在中国石化北京化工研究院经统一模 具和条件压塑制备而成，厚度均为 0.5 mm，由各实验室按仪器要求 裁剪成合适的尺寸，建议制成

14、宽度为 10 mm 的条状试样，样品信息 见表 1。 表 1 验证试验用样品 序号 样品名称 厚度 mm 尺寸 mm 制样方式 1 HDPE 0.5 50 150 压塑 2 LDPE 0.5 50 150 压塑 3 LLDPE 0.5 50 150 压塑 4 PP 0.5 50 150 压塑 5 LCB PP 0.5 50 150 压塑 1.2 试验仪器 参加验证试验的实验室信息及仪器情况见表 2。 1.3 试验条件 将样品裁切成适合仪器测试的尺寸后， 按标准草案要求测量试样 8 宽度和厚度，加载试样进行测试。测试温度设定为 180（HDPE、 LDPE 和 LLDPE）或 200（PP 和

15、LBC PP） ，记录 Hencky 应变速率 0.01 s-1、0.05 s-1、0.1 s-1、0.5 s-1和 1 s-1时瞬间拉伸黏度随时间的变化 曲线。 表 2 实验室仪器情况 代码 实验室所在单位 仪器厂家 仪器型号 A 中国石油天然气股份有限公司 石油化工研究院 美国 TA ARES-G2 B 中国科学院化学研究所 美国 TA ARES-G2 C 安东帕商贸（上海）有限公司 Anton Paar MCR 302 2、试验试验结果结果与与讨论讨论 实验数据见图 1-图 5。 (A) 9 图 1 HDPE 瞬间拉伸黏度随时间变化曲线 (B) (C) 10 (A) (B) 11 图 2 LDPE 瞬间拉伸黏度随时间变化曲线 (C) (A) 12 图 3 LLDPE 瞬间拉伸黏度随时间变化曲线 (B) (C) 13 (A) (B) 14 图 4 PP 瞬间拉伸黏度随时间变化曲线 (C) 15 图 5 LCB PP 瞬间拉伸黏度随时间变化曲线 以试样在应变1=时的瞬间拉伸黏度作为参考进行对比，使用线 性插值得到数据，见表 3。 16 表 3 在不同应变速率下各试样应变 1 时的瞬间拉伸黏度 样品名称 应变速率 s-1 瞬间拉伸黏度 Pa s A B C HD