为什么要做有关流变的测量

日期:2022-03-11 14:13
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1.1 为何要做有关流变的测量?
    任何一位在开始学习有关流变的过程中一定先会问一个问题,那就是”为什么要做黏度的测量呢?”成千的做相关实验的研究人员告诉我们,它可以提供我们资料,包括流程的影响、公式的改变以及对象对时间的变化状况,以帮助我们更进一步的了解实验系统的行为并且做相当程度的推测。
 在流变特性的测量里,常见的是对于其品质的控制,如一批批的原料必须有着一致的流变特性。也就是为了这个原因,对于产品的一致性与品质的控制上,大家相信流体的行为是一个zui直接能够测量的方式。
 而研究流体行为的另外一个原因,是因为它是一个直接可估计获得的性质。如一个高黏度的液体,在传送上我们知道需要比较高瓦数的泵。因此了解流变行为对于管线设计与泵的装配设计系统上是非常有用的。
 另外在研究上也被提出,物质的特性在流变上的表现是敏感的,如物质分子量的增加或是其分子量分布不一致,亦会直接反映在其流动行为上。这在高分子的合成上是很重要的,我们可以藉由其流变行为来比较其分子量,而不需大事周章的去测量其真正数值。流变的测量在接下去的化学反应中也是非常有用的;应用在生产中的品质控制或是藉由它来控制一个流程,并且无论在化学、机械、热处理、添加物的影响或是热硬化反应的过程。它也是预测并控制产品特性、zui终使用表现与材料行为的一种方法。
1.2 思维流变现象
 一开始,让我们思考一个问题,”在一产品或流程上,流变的某些参数是否对它们有着关连性呢?”要知道问题的答案,直觉上我们必须要在材料的化学及物理现象上下功夫,而原因是因为它们会反映出流变行为。现在,我们先假设这些信息我们已经知道并且也确定了几种的可能性。我们要做的下一步是去收集一些初步关于流变一些数据,并且思考决定此系统所表现出的流体行为特性是属于那一范畴内。基本上,上述决定帮助我们选择使用某一款本公司的黏度计做测量并且绘制其有关流体行为的结果(在第四章对此有特别加以论述)。
    一旦流体的行为已经确定,我们就能对于系统成分间的互相作用情形有更详细的了解(在4.7节可以找到更多有关影响流变特性的信息)。在本公司的仪器内亦建有不少的数学模式可拿来对资料做zui适化的仿真(这些数学模式我们在第五章亦有加以论述)。
 这些数学模式范围从简单到复杂我们都有提供。有些仅是将数据绘制成图表;其它则需要两种变量比例的计算。有些是相当复杂的,需要用到计算器或计算机的程序设计。这类的分析可以将我们的资料作zui有效的利用,常常也能由这些程序得到一些对流程与产品来说很重要的一些数字。
 一旦我们能得知流变量据和产品行为的关系,这些流程就能够被我们一再地反复使用,而测得的数据也可以帮助我们做些产品现象与行为的预测评估。
1.3 黏度测量所考虑的三个学派
 在流变学的应用和黏度计的使用上面来说,经验中有三个思量的基本方向。我们把它们列在这里,并且提供您选择,在选择上并没有的对与错,因为每一个都有自己的优点。
1.3.1实用学派

 *个思考方向是其实用价值。选择这一类的人们关心的不是流变的理论或是一些测量的参数,他们所需要的是本公司仪器提供的数据,这些数据对有关产品与流程方面非常的有用。重视品质控制与工厂产品应用的使用者是隶属于此范畴内的。


2.1 装备概要
 这个章节的主要目的是提供本公司黏度计即其相关设备的概要观念,并且对一些常见的黏度问题提出一些解决办法以供参考用。这些信息相信对人们于使用本公司的黏度仪器上能够有相当的帮助。
 我们已经将仪器装备相关的资料做了有系统的编排,希望能够帮助您更快的找到您需要的部分:
2.1.1黏度计(Viscometers)  
2.1.2转子型态(Spindle Geometries)    
2.1.3温度控制(Temperature Control)    
2.1.4小体积样品(Small Sample Volume)     
2.1.5低黏度状态(Low Viscosity)     
2.1.6高温状态(High Temperature)       
2.1.7定义剪率值(Defined Shear Rate)     
2.1.8高剪率状态(Hugh Shear Rate)     
2.1.9不易流动的样品(Non-Flowing Sample Materials)
2.1.10特定配件选项(Special Accessory Items)
2.1.11危害仪器的环境(Fumes and Hazardous Locations)
2.1.12过程控制(Process Control)      
 
2.1.1Brookfeild黏度计(Viscometers)
 Brookfield实验室黏度计有分为三种基本样式:模拟指针式、数字式以及可程控式。这三种主要明显的差异是在其黏度读数的显示。模拟读数读取的主要是旋转刻度与指针的相关位置;数字读数读取的主要是观察3-digit LED 的显示。另外,数字的黏度计拥有一个0-10mv的输出,它可以连接于许多种的仪器装置,如远程的显示器、控制器和记录器。
 在许多方面,模拟式与数字式的Brookfeild黏度计功能上十分的相像。而两种的操作流程在本质上也很类似,并有着相同的配件且在本公司的许多规格中也是可以互相代换的。
 模拟式的是本公司黏度计中价钱比较低廉的,它较适合用在短时间黏度的量测而对长时间的流变行为细部量测较不适用。这是因为当转子持续转动时,数值只能间歇性的读到,也就是必须当指真经过某一特定区域或是停止黏度计或是当状态稳定才能读到读数。另外长时间的测量需要付出较多的心力,而有些屏幕上一些变化迅速的过程也需要比较注意。
 而数字式的黏度计拥有连续式的感应器及记录输出端,它对于长时间的追踪是比较适合的。它在操作长时间的黏度量测上比较轻松,并且可以调整记录数据的时间,对于流变行为改变迅速的流体也较适合。另外,许多的操作者较喜欢使用数字式的,因为不需要在数据中做一些差补的动作。但是此种形式的黏度计不能在使用期间予以手动做一些修改或量测,而模拟式则是可以的。以上这两种形式黏度计在量测上都能够提供相当的准确度。
 标准的转子或是cone/plate的型态在本公司的黏度计中都有所提供。有关详细的几何型态可以参照2.1.8节,有相关资料予以叙述。
 另外,一组模拟式的黏度计是无法转变成数字式的,也没有连接记录器、计算机或是打印机输出的功能。
 我们提供许多种标准的黏度计,它们都拥有不同的模式、范围,如各种的物理上的修正、不同的转子速度与张力扭力。请与我们商量您的详细需求,让我们来提供给您。
 
2.1.2转子型态(Spindle Geometries)
 本公司的黏度计都会提供您的转子,来搭配购买的仪器以达到的使用范围及应用。然而这些转子都有其特殊的型态,目的是为了能够提供一zui适的结果给您。本公司有提供多样的转子与配件以满足使用者的需求;在此节我们都有列出。
 本公司的黏度计材质上采用的是300系列的不锈钢材,因此在一般操作情况下都不用予以维修,有些更进一步的覆上一层抗腐蚀材质。若您在应用上较不同,需要较特殊的转子的话,欢迎您向本公司洽询。
盘状转子
 几种标准的转子型号如下LV系列(转子#2和#3)和RV/HA/HB系列(转子#1到#6),这几组是比较常用的,并且使用于容量600ml或以上的样品槽中。转子的制造是相当的,并且在不同流体中都做过黏度数据再现性的测试。这些结果并可经由Technical Paper AR-82中的数学程序加以转换成黏度的函数。2.1.7节中有转子几何型态直接对应剪率的相关资料。
圆柱状转子
 这类转子(LV#1和#4 RV/HA/HB#7)拥有固定的型态,不仅对黏度,也可以计算剪率与剪力的数值。这类转子的其它方面的参数和前面的盘状转子大致上相似。由于在几何设计上的优势,再加上数学分析这类转子对于非牛顿流体的测量相当的有价值。这类转子在本公司各种黏度计的模式都可以应用,但必须挑选适当的范围。另外圆柱型转子中相当于盘状型号LV#2和#3的转子本公司也有提供。2.1.7节有剪率几何方面的相关资料。
共轴圆柱
 共轴圆柱的几何构造可用来得到较好剪率及剪力的数值,特别是在当样品体积非常小的时候。下述几种是本公司仪器采用此几何构造的配件,它们在特殊情况下都拥有其个别的优点。这些装备配件有:Small Sample Adapter(2.1.4节)、UL Adapter(2.1.5节)、Thermosel(2.1.6节)和DIN Adapter(2.1.4节)。
圆锥/平板(Cone/Plate)几何构造
 Cone/plate 的几何构造不但提供了的黏度值,另外也能让使用者轻易的得到准确的剪力及剪率值。它所需的样品体积小,并且也设计了可控温的结构;另外它的构造也特别适合用来研究分析非牛顿流体的流变行为。这一装置包含在Wells-Brookfield Cone/Plate Viscometer里面(2.1.8节中包含有更多的相关资料)。
T型转子
 通常和Helipath Stand配件相连接,它通常被拿来测量低流动性的或是不流动的物质,如糊状物、胶体或是乳脂状物(见2.1.9节)。
 
2.1.3温度控制(Temperature Control)
 在黏度的测量中为了确保实验的准确性与再现性,我们常常在实验中加上了温度的控制。而也因此本公司的仪器具有下列的系统:
控温槽
 在大多数的黏度测量应用上,使用恒温槽来控温是相当合适的。其中有两种形式:循环式通常以包覆仪器的方式使用,如Wells-Brookfield Cone/Plate Viscometer(2.1.8节)和Small Sample Adapter(2.1.5节);和水槽/循环,这种适用于各种仪器的应用,将样品容器沈浸在水槽中以达到控温的效果。不过控温槽有一个操作的温度限制,大约在120℃左右(和槽内使用的液体有关),且通常还需要一辅助装置,以供当所需温度在室温以下时使用。我们也提供冷却的设备。如果您需要更多资料,可跟本公司洽询。
高温测量系统(Thermosel System)
 这个系统是为了少量样品,且在温度介于40到300℃的测量所设计。它和一般的控温系统不同,它并不以流体为控温的介质。在2.1.6节有更多的资料。
 
2.1.4小体积样品槽 (Small sample Volume)
 大部分本公司样品槽的标准规格是个约600毫升的Griffin杯。而很多的使用者认为一个小体积的样品槽是非常必要的,因此现在本公司的产品提供了几种小体积的样品槽。
微量样品接头(Small Sample Adapter)
 我们使用了特殊的设计来提供一个小体积的样品槽,这个小体积的样品槽是个夹套式与同轴圆柱型的配备,除了cone/plate型以外,它和本公司其它的黏度计都是可以兼容的。它所需的样品体积,依模式的不同,其范围在2.0到16.0毫升。另外依使用模式的不同,所能测得的黏度范围从5 cp到10,000,000 cp,而剪率是从0.066到93.0 1/秒。另外Small Sample Adapter的夹套设计也可以与循环式的控温槽相接,zui高约可达到100℃下的恒温状态。
超低黏度接头(UL Adapter)
 UL Adapter主要适用在比一般量测范围更低的黏度来量测。当与可动的end cap搭配使用时,其样品体积需要量为16.0毫升。在2.1.5节有提供较多的资料。
DIN Adapter
 DIN Adapter与UL Adapter一样,是与特别的黏度计搭配使用,来对黏度范围较一般测量低时做量测用。它的测量范围在1 cp到50,000 cp与DIN 53019相符。
高温测量系统(Thermosel System)
 Thermosel系统可量测温度控制在300℃下的黏度。与同轴圆柱型态转子搭配使用下,样品体积介于8.0到13.0毫升间(和所用转子相关)。详情参照2.1.6节。
Wells-Brookfield Cone/Plate & CAP黏度计
 当样品体积被限制住的时候,我们往往使用Wells-Brookfield Cone/Plate黏度计,因为其所需样品量在0.5到2.0毫升间。相关资料在2.1.8节有所论述。
 CAP黏度计所需样品量<1毫升。在2.1.8节有详细的介绍。
 
2.1.5低黏度状态(Low Viscosity)
每一个Brookfield的黏度计都提供了相当宽广的黏度量测范围,但偶尔还是会有某些状况下,必须做仪器范围外的量测。有几项本公司的配件提供这些范围外的服务:
超低黏度接头(UL Adapter)
 这个配件的设计明显地替LV系列的黏度计提供了较低黏度量测的敏感度;它可以被使用于除了cone/plate型外之本公司的黏度计。当装配在LVF或LVT黏度计上时,UL Adapter提供了1.0到10.0 cp的量测范围与转速60rpm下的剪率73.4 1/秒。而其它种类的黏度计与UL Adapter搭配下所能测量的zui低黏度如下:RVT,6.4 cp;HAT,12.8 cp;HBT,51.2 cp。UL Adapter的型态为一共轴圆柱并在外层圆柱加上一可动式PE末端帽。再加上此末端帽的条件下,其样品量测体积为16.0毫升,且可在一空温槽下控温到zui高100℃;若除去此末端帽,则此Adapter将可适用于任何的样品槽。
微量样品接头
 在一些转子/样品槽的搭配下,Small Sample Adapter有机会量测到比一般范围要低一点的黏度值。详细的应用测量的范围请参照表,若想了解更加详细,可在2.1.4节找到资料。
高温测量系统
  与特定的转子搭配,Thermosel系统可提供低黏度的一个较高的敏感度;想知道更多的资料可以参考应用范围表,而此系统在2.1.6节有更详细的讨论。
Wells-Brookfield Cone/Plate黏度计
 Wells-Brookfield Cone/Plate黏度计对低黏度的量测可以到达0.1 cp。2.1.8节对此仪器有有论述。


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