流變儀測試：加氫石油樹脂熔體黏度與加工窗口的關聯性

一、測試背景與核心邏輯

加氫石油樹脂作為熱熔膠、涂料等領域的關鍵原料，其熔體流變行為直接決定加工可行性。流變儀通過測量樹脂熔體在不同溫度、剪切速率下的黏度變化，構建 “黏度 - 溫度 - 剪切速率” 三維關系，進而界定材料的 “加工窗口”—— 即黏度處于適宜范圍（通常 10~1000Pa・s）時的溫度與剪切條件區間。當熔體黏度過高（>1000Pa・s），會導致擠出困難或設備磨損；黏度過低（<10Pa・s）則易引發材料流掛或性能劣化，因此精準關聯黏度與加工參數是優化生產工藝的核心。

二、實驗準備：儀器選型與樣品預處理

流變儀類型與配件

旋轉流變儀（推薦型號：Haake MARS 或 TA ARG2）：配備平行板夾具（直徑 25/50mm，間隙 0.5~2mm），適用于熔體剪切流變測試；若需模擬擠出場景，可搭配毛細管流變儀（如 Rheometrics Capillary Rheometer）。

控溫系統：溫控精度 ±0.5℃，覆蓋范圍 50~300℃（匹配加氫石油樹脂軟化點 80~160℃的典型區間），夾具需預先恒溫 10 分鐘以消除熱滯后。

樣品處理要點

加氫石油樹脂需粉碎至粒徑 < 2mm，避免大塊顆粒在夾具間形成空隙；稱取 5~10g 樣品置于夾具中央，施加輕微壓力使其熔融并填滿間隙（避免氣泡殘留）。

針對不同氫化程度的樹脂（如 C5、C9 加氫樹脂），需提前通過 DSC 測定其熔點或軟化點，為溫度區間設定提供參考（例：氫化 C9 樹脂軟化點約 110℃，測試溫度可從 120℃起始）。

三、測試方案：關鍵參數設計與流程

溫度掃描測試（固定剪切速率）

目的：建立黏度 - 溫度曲線，確定熔體黏度隨溫度的變化規律。

參數設置：

剪切速率：選擇 10~100s⁻¹（模擬熱熔膠涂布或擠出成型的典型剪切條件）；

溫度范圍：從軟化點以上 20℃開始，以 5~10℃/min 升溫至 300℃，每 10℃恒溫 2 分鐘采集數據。

典型曲線特征：

低于軟化點時，樹脂呈固態或高彈態，黏度極高（>10⁴Pa・s）；超過軟化點后，黏度隨溫度升高呈指數下降（符合 Arrhenius 方程：η=A・e^(Ea/RT)，其中 Ea 為黏流活化能）。

剪切速率掃描測試（固定溫度）

目的：分析熔體的剪切變稀行為，界定加工中的剪切穩定性。

參數設置：

溫度點：選擇軟化點以上 30℃、50℃、70℃三個典型溫度（如氫化 C5 樹脂軟化點 80℃，測試溫度可選 110℃、130℃、150℃）；

剪切速率范圍：0.1~1000s⁻¹，對數掃描，每個數量級采集 5 個數據點。

關鍵發現：加氫石油樹脂熔體通常表現為 “假塑性流體”—— 隨剪切速率增加，黏度逐漸下降（分子鏈取向導致阻力減小），當剪切速率超過 100s⁻¹ 時，黏度下降趨勢變緩，需避免加工中因高剪切導致熔體破裂。

四、加工窗口的界定方法

基于黏度閾值的溫度 - 剪切區間

適宜加工黏度范圍：根據應用場景設定，例：

熱熔膠擠出涂布：黏度需控制在 50~500Pa・s，對應溫度區間通常為軟化點以上 40~80℃（如氫化 C9 樹脂在 150~190℃時黏度約 100~300Pa・s）；

涂料噴涂：黏度需 < 100Pa・s，需將溫度提升至軟化點以上 80~100℃，但需注意避免超過熱分解溫度（如氫化 C5 樹脂在 200℃以上可能開始分解，導致黏度異常下降）。

動態熱機械分析（DMA）輔助驗證

在流變儀測試基礎上，通過 DMA 測量儲能模量（G'）和損耗模量（G''），當 G''>G' 且兩者差值非常大時，熔體流動性很好，對應加工窗口的中心溫度點，例如，某氫化 C5 樹脂在 130℃、剪切速率 50s⁻¹ 時，G''=1200Pa，G'=800Pa，此時熔體均勻性很好，適合薄膜流延加工。

五、影響因素與應用案例

結構 - 黏度關聯性

氫化程度：完全氫化的石油樹脂（雙鍵轉化率 > 98%）分子鏈更規整，高溫下黏度下降更平緩，加工窗口更寬（如氫化 C9 樹脂加工溫度區間可比未氫化樹脂拓寬 20~30℃）；

分子量分布：窄分布樹脂（PDI<2.0）在剪切作用下黏度變化更穩定，適合精密擠出（如電子膠黏劑）；寬分布樹脂（PDI>3.0）因低分子鏈易流動，低溫下黏度更低，適合快速涂布。

實際生產應用

案例：熱熔膠棒生產

通過流變儀測試發現，某氫化 C5/C9 共聚樹脂在 160℃、剪切速率 100s⁻¹ 時黏度為 200Pa・s，符合擠出成型要求；若生產中溫度降至 140℃，黏度升至 800Pa・s，會導致擠出壓力驟增（從 5MPa 升至 12MPa），設備能耗增加且膠棒表面出現波紋。此時需通過流變數據調整擠出機溫度設定（維持 160±5℃），確保黏度穩定在加工窗口內。

六、測試注意事項與拓展應用

避免熱氧老化：測試過程中需通入氮氣（流量 20mL/min），防止樹脂在高溫下氧化交聯，導致黏度異常升高（如 180℃下空氣氛圍中測試 30 分鐘，黏度可能增加 30% 以上）；

與熱重分析（TGA）聯用：結合 TGA 確定的熱分解溫度（如某樹脂 T₁=280℃），將加工溫度上限控制在 T₁以下 50℃（即≤230℃），避免熔體降解；

新型加工技術適配：針對 3D 打印等新興應用，可通過流變儀測試高剪切速率（>1000s⁻¹）下的黏度響應，篩選適合快速成型的樹脂牌號（如要求黏度在 1000s⁻¹ 時 < 50Pa・s）。

通過流變儀測試構建的黏度 - 加工窗口關聯模型，可直接指導加氫石油樹脂的配方優化（如添加增塑劑降低熔體黏度）和工藝參數調試，實現從實驗室數據到工業化生產的精準轉化。

本文來源：河南向榮石油化工有限公司 http://www.cheng114.com/