（2014年4月23日发布）

--熔体流动速率测试在加工应用中的两大局限性

与其他材料特性评估方法一样，熔体流动速率测试在特定应用场景中具有重要价值，但其在加工领域存在两个明显局限性：一是无法准确评

估典型加工条件下的流动特性（被加工商普遍视为粘度测量指标）。

聚合物粘度取决于温度和剪切速率，而熔体流动速率（MFR）测试对给定聚合物通常固定温度且无法控制剪切速率。毛细管流变测定法

用于测试依赖于温度和剪切速率这两个变量的粘度。然而，流动模拟软件需要多温度下粘度与剪切速率的关系曲线来解析分析师输入的实际

参数——从吹塑的相对低剪切速率到注塑的极高剪切速率，宽剪切速率范围内的特性表征至关重要。

尽管模拟软件的预测能力持续提升，某些难题仍缺乏精确解决方案。部分原因在于：即使采用功能增强的毛细管流变仪，这些实验室设备也无

法复现许多实际加工环境（尤其是闭模工艺）的真实状况。MFR测试与毛细管流变测定均采用开放系统且流道内材料全程处于熔融状态。

然而在实际注塑过程中，冻结层几乎立即沿流道形成并随时间增厚，随着材料冷却逐渐占据流道截面的更大部分。这意味着描述聚合物流动方

程中最关键的参数——有效流道尺寸——持续变化的特性未被实验室仪器识别或考量。

此外，这些仪器也没有回应剪切诱导流动不平衡产生的问题（流动不平衡会导致流动材料层内产生温度梯度）。自John Beaumont于1990年代

末首次提出该现象以来，业内多数人始终持否认态度，关于其影响程度及对加工与零件质量作用的关键问题仍悬而未决。但持续研究明确表明：

要实现聚合物流动特性的精确评估，必须考虑这一因素。即使为MFR测试仪加装测量功能，它也无法产生或控制测量所需剪切速率条件。

实验室粘度表征仪器的第二项缺陷是无法解释或测量熔体弹性。大多数从业者都知晓聚合物是粘弹性材料，这意味着它们同时呈现弹性固体与

粘性流体的特性，任何材料的性能都是粘弹性的综合反映，而粘弹性会随温度和剪切率而变。

当聚合物处于终端使用环境的"固态"时，粘弹性行为备受关注。粘性流动方面，其对整体性能的影响似乎比较微弱，主要体现在蠕变、应力松

弛及疲劳等现象。

在熔融状态（通常被视为流体）下，聚合物仍保留部分弹性行为特征。弹性特性在高粘度体系中最为重要，因此当熔体温度与剪切速率较低而

分子量较高时表现得最为显著。吹塑和挤出工艺中，熔体弹性表现为模口胀大效应。

在注塑等方面，同样存在该现象，它是导致困扰加工商的外观缺陷（尤其在浇口和熔接线区域）的重要因素。

1990年代初曾尝试开发简易熔体弹性测量仪器：塑料领域早期创新先驱、普林斯顿大学教授Bryce Maxwell研发出名为"熔体弹性指数（MEI）

测试仪"的设备。该装置旨在像MFR测试仪测量粘性流动那样，提供捕捉熔体弹性特性的简易方法，同时还能测量更精密流变仪器未能实现的弹

性恢复特性。

其工作原理是：加热器使置于平板的材料样本达到测试温度后，将第二块圆盘状平板压向样本。聚合物流动时在双板间形成特定厚度的试样，

驱动电机随后旋转上盘使试样相对于下板产生剪切。施加特定变形量后，上盘脱离驱动装置，在试样弹性恢复力推动下反向旋转。通过上盘的

刻度盘和指针可量化材料响应，该过程由摄像机记录观察。

Maxwell博士曾在SPE ANTEC会议上多次展示该设备，但始终未完成进入成熟实验室仪器领域所需的漫长评审流程。然而它能在数分钟内区分

不同熔体弹性材料（即使材料熔体粘度相近），且测试条件与某些加工方法相似。

若得以完善，该仪器可能成为MFR测试中平行板或锥板流变测定法的低成本替代方案，然后它能与毛细管流变测定法相比较，使加工商能够

进行有效且近似的熔体弹性测量，为破解聚合物流动谜题提供新线索。

至此我们已完成对MFR测试的全方位解析，期望能明确其适用场景，并消除围绕测试数据的某些误解。但料想行业中的困惑仍将持续——就在

本文完稿之际，笔者收到印度汽车行业PC/ABS合金生产商的邮件：其客户抱怨注塑薄壁件有时出现开裂，并声称当原材料MFR从6克/10分钟

降至4克/10分钟时就会发生。这种断言显然未能理解MFR与实际加工条件下聚合物流动行为之间的真实关联。

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关于作者

Michael Sepe是驻亚利桑那州塞多纳的独立材料与加工顾问，客户遍及北美、欧洲和亚洲。拥有35年以上塑料行业经验，协助客户完成材料

选择、可制造性设计、工艺优化、故障排查与失效分析。联系方式：(928) 203-0408 • mike@thematerialanalyst.com。