粘度测量及流变分析入门

来源:倍迎电子 发布时间:2022-09-14 23:41:18 点击数:

概述

粘度是进行流体(例如液体、半固体、气体、固体)流动测量的一个主要参数。博勒飞Brookfield粘度计流变仪可测量液体和半固体。结合产品质量和效率进行粘度测量。在研究开发、质量控制或流体转运中,与流动特性相关的任何人都会参与一些类型的粘度测量。

许多生产商都将粘度计视作其研究、开发、工序控制程序的重要部分。他们知道粘度测量通常会以最快速、最精准、最可靠的方式来分析影响产品性能的最重要因素。

流变关系有助于我们了解我们所测量的流体,这样我们既可以知道它们是如何移动的,也可以促使它们按照我们的需求来移动。

有许多不同粘度测量技术,每项技术都适用于特定环境和物料。从众多可满足应用需求的仪器中选出合适的粘度计并非易事。现今,仪器多种多样,从简单到复杂,从对液体排出计时到非常复杂的自动记录和控制设备,都有包括。仪器用户可自行评估相关流动现象,须运用仪器制造商“专业知识和经验”。

Brookfield是粘度测量和数据处理仪器发展中的先锋,也是科学发展的推动因素。我们具备必备专业知识和经验,帮您选择合适仪器,控制工艺。


为什么要进行流变测量?

任何人在开始学习思考流变学时,必须首先问自己一个问题“我为什么要进行粘度测量?”答案存在于已进行过此类测量的成千上万人的经验之中,表明可获得许多有用的产品行为和预测信息,以及工序、配方、变化、老化现象等影响的知识。

在质量控制领域可找到流变特性测量的常见原因,各批原材料必须保持一致。有鉴于此,流动特性是产品一致性和质量的一种间接衡量标准。

进行流体特性研究的另一个原因是可获得对生产性能的直接评估。例如,比起低粘度液体,高粘度液体需要更多力来抽取。因此,设计抽吸和管道系统时,了解其流变特性是很有用的。

流变学方法是进行物料定性的最敏感的方法,因为流动特性对分子量和分子量分布等属性很敏感。这种关系在高分子合成方面很有用,例如,因为在不进行分子量测量的情况下,也可看到相关区别。流变测量在下列化学反应过程中也很有用。此类测量可用于生产期间的质量检查或监测和/或控制流程。流变测量可用于研究化学品、力学、热处理、添加剂效果或固化反应过程。也是预测和控制众多产品特性、最终用途性能和物料特性。


流变学思考

首先,考虑这个问题“流变学参数可用于关联产品或工艺的一个方面吗?”为了确定此问题,须对影响流变反应的化学和物理现象种类有一种本能反应。此时,假设此信息已知,也已确定几种可能性。下一步是采集流变学初始数据,以确定什么类型的流动特性是正在研究的系统的特性。在最基本层次,这涉及可采用哪款Brookfield粘度计进行测量以及根据后续流动特性描述作出结论。

一旦确定流动特性的类型,便可了解更多系统相互作用的组件相关信息。因此而获得的数据拟合到可与Brookfield仪器配套使用的数学模型中。

此类数学模型从非常简单到非常复杂都有包括。一些只是涉及图表数据绘图;其他需要计算两个数的比值。一些非常复杂,需要使用可编程计算器或电脑。这种分析是从数据中获得最多的最佳方式,一般得出其中一个常量,此常量汇总数据并与产品或工艺性能关联起来。

一旦流变数据和产品特性之间的关联建立起来,可颠倒流程,流变数据可用于预测性能和特性。


关于流变学控制

韦氏词典将流变学定义为“对物质形式和流量变化的研究,包括弹性、粘度、塑性。

本章我们主要谈粘度,进一步定义为由分子吸引力引起的流体内部摩擦,使其阻挡流动倾向。Brookfield粘度计可测量此摩擦,因此函数是流变学的一个工具。本章目的是让您了解不同类型的流动特性,将Brookfield粘度计用作一种流变学仪器,使您对流体进行真切详细的分析。此信息对所有粘度计用户非常有用,尤其是拥护粘度测量理论与学术思想流派的用户。


粘度

粘度是流体内部摩擦力的量度。当一层流体移动到相关另一层流体时,此摩擦力变得明显。摩擦力越大,引起移动(称作剪切)所需的力值就越大。流体发生物理性移动或分散时,例如倾倒、涂抹、喷洒、混合等,剪切就会出现。因此,就移动所需用力而言,高粘性流体移动所需的力大于低粘性物料移动所需的力。

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艾萨克·牛顿通过思考上图所示模型来定义粘度。等面积A流体的两条平行面被间隙隔开,正以不同速度V1和V2向同一方向移动。牛顿认为保持此速度差异所需的力与通过液体的速度差异或速度梯度成比例。为了说明这一点,牛顿写道:

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速度梯度,dv/dx,是中间层相对彼此移动速度变化的衡量标准。这描述了液体所历经的剪切,因而称作剪切率。后续论述中将用S来表示剪切率。其计量单位称作sec-1

F/A术语表示产生剪切动作所需的每单位力。将其称为剪切应力,用F′表示;其计量单位为达因每平方厘米(dynes/cm2)。

采用这些简化术语,通过此数学公式对粘度进行定义:

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粘度基本计量单位为泊。需用1dynes/cm2剪切应力产生1sec-1剪切率的物料的粘度为1泊或100厘泊。您也会遇到以帕斯卡·秒(Pa·s)或毫帕斯卡·秒(mPa·s)为单位来表示的粘度测量值;这些是国际制单位,有时比公制标准更受欢迎。1帕斯卡-秒相当于10泊;1毫帕斯卡-秒相当于1厘泊。

牛顿认为在既定温度下,所有物料的粘度与剪切率无关。换言之,两倍力会以两倍速度移动流体。而如我们将要看到的,牛顿并不完全正确。

牛顿流体

牛顿所设想的所有流体此类流动特性自然被称作牛顿体。然而,您可能只会遇到几种类型流动特性中的一种。牛顿流体以下图图表表示。图表A显示剪切应力(F′)和剪切率(S)之间的关系是一条直线。图B显示,流体的粘性随剪切率变化保持不变。一般牛顿流体包含水和稀机油。

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在实践中,这表示在既定温度下牛顿流体的粘度会保持不变,不管测量所使用的粘度计机型、转子或转速是什么。在Brookfield设备所产生的剪切率范围内,Brookfield粘度标准液是牛顿流体;那正是它们可与所有粘度计机型配套使用的原因。很显然,牛顿流体是最容易测量的流体-只需带上您的粘度计前去测量即可。不幸的是,它们并不像比其复杂得多的一类流体-非牛顿流体一样常见,下一部分将讨论非牛顿流体。


非牛顿流体

非牛顿流体广义上指F′/S关系不是常数的一种流体。换言之,当剪切率改变时,剪切应力不以相应比例(或甚至未必以同一方向)改变。因此这种流体的粘性随剪切率的变化而变化。因此,粘度计机型、转子、转速的实验参数都对非牛顿流体的实测粘度具有影响。这一实测粘度称作流体表观粘度,只有具有或依附明确实验参数时才精确。

可将非牛顿流体设想为一种混合不同形状大小分子的流体。当彼此流经时,正如流动期间所发生的那样,其大小、形状、粘结度会确定移动所需的力的大小。在每种特定剪切率下,准线可能不同,可能需要一些力来保持移动。

有几种类型的非牛顿流体流动特性,所具有的特点是流体粘度随剪切率变化而变化。您可能会遇到的最常见的非牛顿流体类型包括:

假塑性体
如下图所示,这种类型的流体粘度随剪切率增加而降低。这可能是最常见的非牛顿流体,假塑性体包括油漆、乳剂以及多种类型的分散剂。此类流动特性有时被称为“剪切稀化”。

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膨胀性体
膨胀性流体所具有的特点是粘度随剪切率增加而增加;参见下图。虽然比假塑性体更少见,膨胀性体常见于包含高水平抗絮凝固体(例如:粘土泥浆、糖果化合物、水中玉米淀粉以及沙/水混合物)的流体中。膨胀性也指剪切增稠流动特性。

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塑性流体
这种类型的流体在静态条件下特性与固体相同。引发任何流动之前,须将一定量的力施加到流体上,这种力称作屈服值。番茄酱是这类流体的一个很好的例子,其屈服值通常让其难以从瓶中倾倒,直到摇晃或碰撞瓶子,才能使酱体自由涌出。一旦屈服值超限,开始流动,塑性流体会显示出牛顿流体、假塑性体或膨胀性体的流动特性。见下图。

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目前为止,我们已论述了剪切率对非牛顿流体的影响。将时间要素考虑在内时会发生什么?这个问题引出我们对两种以上非牛顿流体的说明:触变性和流凝性。


触变性和流凝性 

在恒定剪切率条件下,一些流体粘度会随时间变化。有两类需考虑:

触变性
如下图所示,当恒速剪切时,触变性流体的粘度随时间降低。

流凝性
这基本与触变特性相反,在恒定剪切率下,流体的粘度随时间增加。见下图。

或者仅在某种剪切率下,流凝性和触变性可能会与之前所提到的流动特性一同出现。时间要素极易发生改变,在恒定剪切率条件下,一些流体在几秒之内就会达到最终粘度值,而其他流体可能需要花费几天。

流凝性流体很少遇见。然而,触变性常见于诸如油脂、浓稠印刷油墨和油漆。

剪切率变化时,触变性流体会出现下图所示的反应。当剪切率增加到某个值,然后立刻下降至起始点时,会生成剪切应力与剪切率关系图。请注意上、下曲线不相同。滞后回线是由于流体粘度随剪切时间增加而降低引起的。此类效应可逆亦或不可逆;如果可在一段时间内不受干扰,一些触变性流体的粘度会重新恢复到初始值,而其他流体从不会如此。

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当然,流体的流变特性对粘度测量技术有着深远的影响。之后我们将会论述此类影响及其处理方式。


层流和湍流

粘度的定义暗示了层流的存在:一层流体流过另一层,没有相互转移物质。粘度是这些层之间的摩擦。

依赖于大量因素,超过一层流体移动至另一层的最大速度,便会出现实际整体转移。这就叫做湍流。分子或较大粒子从一层跃至另一层,过程中消耗了大量能量。最终结果是在相同速度下,维持湍流所需的能量输入比维持层流的能量输入大。

在相同剪切率下,增加的能量输入表现为比在层流情况下所观察到的剪切应力明显增大。这样会产生虚高的粘度读数。

层流发展成湍流时所处的点取决于除各层移动速度之外的其他因素。物料的粘度、特定重力、以及粘度计转子和样品容器的几何外形都会影响该转折出现时所处的点。

需要注意区分湍流情况和膨胀体流动特性。一般来说,膨胀性物料会显示出粘度会随剪切率增加而稳定增加;超过某个剪切率时,湍流粘度会突然显著增加。物料流动特性可能是此点下方的牛顿流体性或非牛顿流体性。

由于大多Brookfield粘度计都以较低的剪切率运行,似乎不太可能遇到湍流,除非使用LV系列粘度计测量低于15cP的粘度或者使用其他机型测量低于85cP的粘度。流体粘度越高,就越不可能出现湍流。测量低粘度流体时,如果观察到湍流,通常可采用超低粘度适配器附件来消除。

什么会影响流变特性?

粘度数据通常起到“窗口”作用,通过它便可观察到物料的其他特性。粘度比一些可影响粘度的特性更易于测量,使它成为进行物料定性的一种重要工具。本章早前部分已论述了多种类型的流变特性以及如何确定这些特性。已确定物料中的特定流变特性,您可能想知道就其他特性而言,此信息暗示了什么。本部分以所收集的多年客户经验信息为依据,可作为“备忘录”,以便使您想起粘度计帮您解决的难以理解的事情。

温度
可对流变特性产生影响的最明显的因素之一是温度。一些物料对温度非常敏感,较小的变化就会导致粘度显著改变。其他比较不敏感。对受制于使用中或生产中温度变化的物料进行评估时,例如机油、油脂、热熔粘接剂,将温度对粘度的影响考虑在内很有必要。

剪切率
现实世界中,非牛顿流体趋于标准而不是例外,对于从事流变数据实践应用的任何人来说,评估剪切率的影响很有必要。例如,试图泵出流经系统的膨胀性流体,却使它在泵内变得坚实,导致整个工序骤然停止,这将是灾难性的。虽然这是一个极端例子,但也不应低估剪切率影响的重要性。

在生产或使用中,以多种剪切率处理物料时,了解以预估剪切率测得的粘度很有必要。如果对这些都不了解,应当制定一个估值。应以与估值尽可能相近的剪切率来测量粘度。

由于这些值超出了粘度计的剪切率范围,测量期间通常不可能近似于预估剪切率值。在这种情况下,有必要以几种剪切率进行测量并将数据外推至预估值。这不是获取此信息最精确的方法,但是往往是唯一的选择,尤其是预估剪切率非常高的时候。实际上,最好是以几种剪切速率测量粘度,以检测可能对生产加工或使用有影响的流变行为。在剪切率值不明确或不重要的情况下,粘度与转速样品图通常就可满足要求。

生产和使用过程中,由于剪切率大幅度变化而受影响的物料实例有:油漆、化妆品、液态胶乳、涂料、某些食品以及人体循环系统中的血液。不同剪切率典型实例如下表所示。

 


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