Аванта и К
Реометр или вискозиметр? Как принять верное решение
22.05.2015
Выбор между реометром и вискозиметром не всегда очевиден.В этой статье будут рассмотрены факторы, которые должны быть рассмотрены для того, чтобы принять верное решение.
Вискозиметр может быть прекрасным решением в тех случаях, когда анализ материала, контроль процесса или производственные испытания предполагают простое измерение текучих свойств. В то время как реометры позволяют анализировать большее число параметров, включающих помимо текучести ещё и виды деформаций. Поэтому следует учитывать, как весь диапазон предполагаемых задач, так и разницу в производительности между этими классами приборов.
Принципы работы
Большинство вискозиметры работает при вращении шпинделя в образце. Вязкость определяют путем измерения сопротивления этому вращению. Вискозиметры, по сравнению с реометрами, являются, как правило, относительно несложными инструментами. Простота их конструкции и эксплуатации является преимуществом, т.к. не требуют особой квалификации от оператора и позволяют добиваться хорошей производительности даже в условиях большой загруженности (например, при производственном контроле качества).
В вискозиметре шпиндель вращается в одном направлении, что достаточно для измерения вязкости. В реометрах могут применяться колебания и быстрые скачкообразные изменения напряжения/сжатия. Поэтому наряду с анализом собственно вязкости они пригодны для измерения вязкоупругих свойств (получать информацию о структурных свойствах образца).
В конструкции вискозиметров используется механический подшипник, который ограничивает скорость и крутящий момент шпинделя инструмента, в то время как в реометрах обычно применяются воздушные подшипники с их сверхнизким трением. Остаточное трение в механическом подшипнике может затруднить анализ материалов с низкой вязкостью. В некоторых последних моделей вискозиметров использовались различные геометрические ухищрения, которые позволяют им охватывать более широкий диапазоны вязкости. Это применимо для многих жидких материалов включая краски, фармацевтическую продукцию, нефтехимию и даже производство асфальта.
Реометры, обычно являясь более дорогими приборами, чем вискозиметры, более универсальны и имеют гораздо более широкий динамический диапазон контролируемых и измеряемых параметров. В стандартном реометре, работающем по принципу растяжения/сжатия, терморегулятор является неотъемлемой частью инструмента, а не опцией. Более того, в этих приборах предусмотрено несколько сменных терморегуляторов, которые охватывают разные температурные диапазоны. Каждый терморегулятор сконструирован так, чтобы достигать наилучших результатов точности и стабильности температурного режима в соответствующем сегменте температур.
Примером этого является расширенная температурная ячейка, которая по сути является печью принудительной конвекции. Это обеспечивает быстрое нагревание и охлаждение в инертной атмосфере, а также предотвращение деградации образца. В сочетании с более широким выбором геометрий измерений, испытания могут быть оптимизированы для конкретных задач и типов испытываемых образцов.
Применение воздушного подшипника с его крайне малым трением позволяет анализировать даже пробы низкой вязкости, в то время, как достаточная жёсткость такого подшипника обеспечивает также возможность измерения реометрических параметров твёрдых материалов. В моделях, основанных на сжатии/растяжении проб, полный ряд реологических испытаний (в том числе ползучести, релаксации напряжений и многоволновых колебаний) может проводиться с сохранением истории всех деформаций образца.
Измерения вязкости
Реометры функционируют в очень широком диапазоне значений динамического сдвига ставки, позволяя тем самым моделировать реальные процессы, которые происходят в совершенно разных временных масштабах - такие как седиментация и распыление. Динамический сдвиг имеет место всякий раз, когда жидкости протекают через трубы и каналы. Скорость потока равна нулю непосредственно на поверхности стенки и имеет максимальное значение в центре трубы. Таким образом жидкость подвергается сдвигу, двигаясь через трубу или канал. В Таблице 1 приведены скорости сдвига процессов, которые обычно требуют реологических измерений. Распыление, например, происходит от 10-4 до 10-5 секунд, а перекачивание насосом – 1 – 10-3. Как правило, вискозиметр может измерять в диапазоне от 0,1 до 10-3 сек., а диапазон применений реометра простирается от 10-6 до 10-5 сек.
Таблица 1
| Процесс | Временной диапазон изменений (скорость сдвига) | Вискозиметр | Реометр |
| Седиментация | От нескольких минут до 10-12 суток | - | Применяется |
| Механический прогиб | От нескольких секунд до нескольких минут | - | Применяется |
| Выравнивание, нивелировка | От нескольких секунд до нескольких минут | - | Применяется |
| Закрытие занавеса | От 0.01 до 1 сек | Применяется | Применяется |
| Штамповка, шприцевание | От 0.01 до 1 сек | Применяется | Применяется |
| Перекачивание насосом | От 0.001 до 1 сек | Применяется | Применяется |
| Работа щёткой (кистью) | От 0.001 до 0.1 сек | Применяется | Применяется |
| Перемешивание | От 0.001 до 0.1 сек | Применяется | Применяется |
| Нанесение тонких покрытий | От 0.001 до 10-6 сек | Применяется | Применяется |
| Распыление краскопультом | От 10-4 до 10-5 сек | - | Применяется |
| Обратная печать | От 10-5до 10-6 сек | - | Применяется |
Такие процессы, как седиментация, лучше всего анализировать с помощью реометра, т.к. именно этот прибор способен создавать для данных целей достаточно малый крутящий момент. Наряду с этим реометры также позволяют проводить анализ очень высоких скоростей сдвига (таких, как в процессе распыления).
Информация в таблице 1 иллюстрирует, что аналитических возможностей вискозиметра может оказаться достаточно для решения достаточно широкого диапазона задач, особенно если прибор приобретается ради контроля качества на производстве.
Рисунок 2 показывает, в каких сферах деятельности особенно полезен широкий диапазон измерительных возможностей реометра. В этом примере сравниваются два образца покрытий, наносимых валиком. Данные для образца, соответствующего стандартам, показаны красным цветом, несоответствующего – зелёным.
При скоростях сдвига ниже 10-4 сек оба покрытия имеют одинаковую вязкость. Вискозиметр не нашёл бы никаких различий между этими образцами.
Еще два примеры важных измерений, которые могут быть сделаны именно с помощью реометра, это предел текучести и нормальная сила.
Предел текучести
Пределом текучести называется сила, которую необходимо приложить к образцу, чтобы материал начал проявлять жидкостные свойства. Она является важной реологической характеристикой.
Это сила, например, равна тому сопротивлению, которое должно быть преодолено при включении насоса; она держит краску в вертикальном положении после нанесения на стену; эта сила может также влиять на срок годности и ощущаемую потребителем структуру (например, «таянья во рту» шоколада) для многих товаров широкого спроса. Предел текучести является важным фактором в обеспечении насыщенной и кремовой текстуры многих продуктов, однако необходима оптимизация свойств, потому что предел текучести будет иметь значительное влияние на прокачку полуфабрикатов по технологическим линиям.
Нормальная сила
Когда образец подвергают сдвигу, его эластичность может создать усилие, направленное перпендикулярно направлению этого сдвига. Подобное усилие известно, как нормальная сила и является общепринятой характеристикой полимерных материалов. Определение нормальной силы может выявить различия, которые могут возникнуть при обработке материалов. Примером подобных процессов является изготовление бумаги с нанесёнными покрытиями.
Для придания бумаге особых свойств (глянца и низкой шероховатости) на её поверхность наносят химические составы при помощи специальных лезвий. Этот процесс характеризуется узким зазором, который вызывает значительный динамический сдвиг бумаги.
Если образец обрабатываемой бумаги имеет высокую нормальную силу, которая отталкивает лезвие от бумаги, покрытие получится слишком толстым. Часто только анализ нормальной силы может выявить разницу между образцами, имеющими одинаковые значения вязкости.
Динамические измерения
Практически все материалы проявляют упругие свойства наряду с вязкостью. Измерение вязкоупругости образца может предоставить исключительно важную информацию, которую невозможно добыть, располагая одним только вискозиметром. Применяя реометр, даже самые незначительные внутренние движения (колебания малой деформации) могут быть использованы для измерения вязкоупругих свойств, без разрушения структуры образца.
Колебательные испытания дают механический спектр материала, который является его уникальным «отпечатком пальцев».
Испытываемая геометрическая область образца колеблется синусоидально с нулевой точкой в фиксированном положении. При этом регистрируются ответные частоты напряжений и деформаций. Это позволяет определить характеристики упругости и вязкости. В течение определённых отрезков времени, вязкие и упругие характеристики образца претерпевают изменения. Для многих процессов, в том числе заливки и напыления, показатель эластичности является критическим, так как определяет укрывистость и свойства образуемых капель. В случае полимеров динамические измерения могут предоставить подробную информацию о молекулярном строении, молекулярной массе и молекулярно-массовом распределение.
Наряду с частотными развертками, графики температуры во времени могут предоставить важную информацию, такую как динамика процесса отвердения или условия проявления тиксотропных свойств. Тиксотропным считается такой образец, который демонстрирует зависимое от времени сдвиговое разжижение, сопровождаемое восстановлением прежней структуры после снятия нагрузки. К типичным тиксотропным системам относятся соусы, краски и чернила. Рисунок 3 показывает, образец чернил, который был подвергнут сдвигу высокой скорости, чтобы имитировать прохождение чернил через печатающую головку. Время, за которое структура чернил восстанавливается, имеет решающее значение для связывания чернил с бумагой и резкости печати. В данном примере образец возвращается в стабильное состояние упругого геля через 12 секунд.
Вывод
Реологические измерения необходимы для разработки технологических процессов, их проведения и контроля во всех отраслях хозяйственной деятельности.
Вискозиметр отличает низкая стоимость инструмента, простота в использовании и возможность приобретения мобильной версии для дистанционного применения или использования в полевых испытаний. Это очень хорошо подходит для контроля качества или для отслеживания технологического процесса на линии.
Приобретение реометра потребует больших денежных затрат, но эти приборы дают возможность полного моделирования реальных процессов и получения исчерпывающих характеристик материалов. Бόльшая универсальность и производительность делают реометр отличным выбором для исследований, разработки новых продуктов и процессов, а также для контроля качества.
Оба инструмента хорошо дополняют друг друга - не редкость в одной и той же организации встретить вискозиметры, используемые для контроля качества продуктов, которые были ранее разработаны с использованием реометра.
Статья подготовлена на основе информации, предоставленной:
Стив Каррингтон, менеджер по продукции, Реологические системы
Джоан Лангридж, специалист по применению оборудования, Malvern Instruments