旋转粘度测定法:提高生产过程的流动

几乎所有行业依靠粘度检查开发、制定,生产产品一致的特征。许多重要的生产控制参数的材料和新产品的开发直接关系到产品的粘度。旋转粘度计是非常适合样品从液体的粘度的测定(如鼻滴,果汁)半固态(如蜡,酱汁)。本文提供了洞察粘度测定法的基本知识,质量控制参数,并应用实例。

粘度的原则

物理量“粘度”给厚流体的信息和它流动的难易程度。从科学的角度,粘度是流体的测量的内部流动阻力。如果你比较高粘度液体蜂蜜等低粘度流体如眼药水,你会发现,在相同的温度下,蜂蜜流低于眼药水。
两个板块模型提供了粘度的数学描述(图1)。想到一种三明治[1]:有两个盘子放在中间。下盘不动。上层板飘一边慢慢地和主题的流体压力,平行于表面:剪切应力(τ)。力应用到上板除以这个板的区域定义了剪切应力。力/面积单位N / m2。剪切速率(gamma-dot)上盘的速度除以两个板块之间的距离。它的单位是倒数第二(s - 1)。根据牛顿定律[2],剪切应力剪切速率粘度倍。因此,粘度(η)是剪切应力除以剪切率:
ƞ=τ/γ̇
图1所示。虚拟粘性三明治:两个板块模型。

用旋转粘度计粘度测量

旋转粘度计大部分工作根据塞尔原则:一杯马达驱动器主轴内固定(图2)。测试序列如下:用户高度的轴旋转粘度计和设置一个速度。主轴开始旋转和样例中包含杯将遵循这一运动。开车速度预设,所需的扭矩(更好:力)把主轴对流体的粘滞力测量。操作员接收动态粘度和扭矩(主要在%)。
对大多数常用的弹簧式粘度计,主轴的转动引起的挠度春天。有几种乐器模型与不同的弹簧类型以低粘度测量高粘度物质。在低粘度的物质的情况下,弹簧需要足够敏感,而对于样本的高粘度范围内,一种更健壮的春天是必需的。
图2。旋转粘度计——塞尔原则。电机和测量装置(1),(2),
(3)用户界面,测量主轴(转子)(4),sample-filled杯(5)。

流的行为

粘度值不是恒定值受许多条件(图4):
•环境条件:温度和压力。
•物质的内部结构:一个高度粘性物质功能分子和抵抗变形紧密相连。
•剪切速率和剪切应力作为外部力量:这包括各种各样的行为像物质擦拭,或重力。进一步的影响取决于外力的强度和持续时间。
粘度曲线是用来确定物质的流动行为。粘度是策划对剪切速率(图3)。这样可以生成一条曲线用旋转粘度计通过增加剪切率步进式定义的测量时间点。温度和其他环境条件不变。
如果一个流体内部的流动阻力是独立于外部力量作用于流体(剪切速率),它是理想的粘性(图3:曲线1)。这种液体牛顿液体后,艾萨克·牛顿爵士命名。典型的材料从这组包括水、矿物油、沙拉油和溶剂。剪切稀化行为(或:假塑性)的特点是降低粘度随着剪切速率(图3:曲线2)。典型的材料是涂料、胶水、洗发水、和聚合物解决方案。剪切增稠(或扩展):意味着增加粘度随着剪切速率(图3:曲线3)。材料通常显示这样的行为包括高度分散,如陶瓷悬浮液、淀粉乳液,和牙科充填质量。
图3。粘度曲线。不同类型的流动行为:牛顿(1),剪切稀化(2),
剪切增稠(3)。

屈服点

屈服点(也称为屈服应力)是最低的剪应力值上面材料将表现得像一个流体和下面的材料将表现得像个固体[3]。屈服点是最小的力量,必须应用这些样本,以便他们开始流动。屈服点是至关重要的对于许多实际问题和应用程序例如,最终产品的质量控制或优化生产过程。
屈服点不是一个材料常数,而是取决于所使用的测量和分析方法。有许多不同的方法。旋转粘度计,屈服点通常是计算从流曲线测量剪切率的线性增加。屈服点使用模型计算功能(例如,宾汉、卡森或Herschel-Bulkley)。对于所有这些近似模型,τ0屈服点值是由外推流的曲线对低剪切率的值(图4)。每一个不同的模型函数产生不同的屈服点,因为计算是不同的。
图4。流曲线。样品没有屈服点(1),样品与屈服点(2)。

屈服点的决心的另一种方法是叶片技术。这是一个非常快速和容易的方法分析paste-like样本的屈服点。有四个薄的叶片轴叶片在相等的角是用来测试安排。一个常数低速旋转粘度计是预设。最大屈服应力,可以发现在测量期间,是屈服点的值。说明了屈服点的图,扭矩是谋害时间图(图5)。有三个典型地区[4]:
•剪应力增加由于变形为弹性响应。
•一个剪切应力峰值是由于材料的微观结构的崩溃。这个点叫做屈服点。
•应力衰减由于结构性故障得以成像。
图5。屈服点的决心与叶片技术(红线=屈服点)。

示例应用程序与各种旋转粘度计配置

同心柱系统:止咳糖浆的粘度进行了分析使用弹簧粘度计(开始进行常规样品粘度),同心圆筒测量系统(图6)。
同心柱系统绝对测量系统。由于主轴的几何定义,可以计算出剪切速率值。所需的样本体积测量相对较低(约。2毫升20毫升)。相比之下,对于一个典型的旋转粘度测试标准的纺锤波,500毫升的样品体积是必需的。
相比,例如水和果汁,止咳糖浆具有相对较高的粘度,以外套喉咙的表面(图7)。评估样品的流动行为,是有用的计算剪切稀化指数。如果该值> 1,样品剪切稀化。如果该值为< 1,样品是剪切增稠。1的止咳糖浆具有剪切稀化指数衡量,这意味着示例显示了一个所谓的牛顿行为。这意味着样品的粘度不会改变,即使速度更高的应用,例如,在吞咽。
图7。粘度测量的止咳糖浆。
椎-测量系统:凝胶的质量对肌肉和关节疼痛是由旋转粘度测试使用弹簧粘度计(开始定期/介质粘度样本)与椎-测量系统(图8)。
椎-系统提供了机会减少粘度测量所需的样本数量下降到0.5毫升2毫升。此外,椎-测量系统提供绝对粘度决定复杂的和可靠的测量。

Herschel-Bulkley模型给出了产品的屈服应力以及产品的流动指数和一致性指数(图9)。93.38 N / m²需要应用于管胶流。为了防止流出的液体像凝胶管没有任何力量时,屈服点分析。流动指数为0.4155(< 1)意味着凝胶具有剪切稀化流体行为。凝胶必须表现出剪切稀化流体行为,因为粘度降低力时,例如,当挤压出来管或将它应用到皮肤。
图9。流量曲线图和屈服点测定凝胶使用Herschel-Bulkley数学回归模型。
分析了叶片纺锤波:屈服点粥使用弹簧粘度计(常规粘度样品开始)与叶片轴(图10)。
叶片纺锤波所需测量paste-like样本的屈服点与粒子(也)。这些纺锤波减少滑动并减少结构性变化的样本在纺锤体的浸。纺锤波也适用于粘度测量在一定的速度。叶片是相对测量系统测量paste-like但是是唯一的解决方案和样品粒子。他们也很便宜。
测量粥显示了252 N / m2的屈服应力(图11)。这个参数可以对生产很重要,因为它定义了需要多少泵功率。此外,众所周知,食品的口感与屈服应力有关。奶油与更高的屈服应力值。
图11。屈服应力测量叶片主轴的粥
丁字架主轴与机动站适配器:蛋黄酱的粘度测量使用弹簧粘度计(常规粘度样品开始)机动站适配器和丁字架轴(图12)。
机动站适配器与丁字架纺锤波是一种便宜和可靠的测量配置馅饼、非流动样品像蛋黄酱(没有粒子)。机动站适配器代替粘度计的手轮。
图13。粘度测量的蛋黄酱旋转粘度计配备了电动站适配器和丁字架主轴。过去的30年代的粘度值的测量取平均值。
移动轴的测量,并在示例以缓慢的速度向下。它消除了所谓的“引导”的问题。任何旋转的轴不断在相同的高度将创建一个空气通道内的样本,这将导致无意义的粘度值作为样本不再与主轴接触了。运动粘度计头丁字架纺锤波的解决了这一问题,不断测量完整的样品由于螺旋轴运动。
初的测量、蛋黄酱的粘度是零,因为测量开始大约半厘米以上示例(图13)。然后通过样品的轴旋转,导致粘度高原后很短的一段时间。在这个高原,粘度可以平均。所选蛋黄酱平均粘度为14830 mPa·s扭矩(74.2%)。生产的目标是,蛋黄酱有适当的厚度为应用程序不管脂肪含量。

引用

1。Mezger, t . 2011。流变学手册。第三修订版。汉诺威:Vincentz网络。
2。牛顿,1687年。《自然哲学的数学原理》(“原理”)。伦敦。
3所示。ISO 3219:1994-10。1994年。塑料-聚合物/树脂在液态或乳剂或分散体,使用旋转粘度计测定粘度与剪切速率定义。
4所示。热那亚,d . B。,2005 m·a . Rao。。”组件的叶片结构的屈服应力分散的食物。“食品科学学报,70 (8):E498-E504。