Реометр является лабораторным устройством , используемым для измерения способа , в котором жидкость, суспензия или взвесь течет в ответ на приложенные силы. Он используется для тех жидкостей, которые не могут быть определены одним значением вязкости и поэтому требуют установки и измерения большего количества параметров, чем в случае с вискозиметром . Он измеряет реологию жидкости.
Есть два совершенно разных типа реометров . Реометры, которые контролируют приложенное напряжение сдвига или деформацию сдвига, называются реометрами вращения или сдвига , тогда как реометры, которые прикладывают напряжение растяжения или деформацию растяжения, являются реометрами растяжения . Реометры вращательного или сдвигового типа обычно проектируются либо как собственный инструмент с контролируемой деформацией (контролируют и применяют определяемую пользователем деформацию сдвига, которая затем может измерять результирующее напряжение сдвига), либо как собственный инструмент с контролируемым напряжением (контроль и применение определяемого пользователем напряжение сдвига и измерьте результирующую деформацию сдвига).
Смыслы и происхождение
Слово реометр происходит от греческого языка и означает прибор для измерения основного потока. В 19 веке он обычно использовался для устройств для измерения электрического тока, пока это слово не было заменено гальванометром и амперметром . Он также использовался для измерения расхода жидкостей в медицинской практике (поток крови) и в гражданском строительстве (поток воды). Это последнее использование сохранилось до второй половины 20 века в некоторых областях. После появления термина реология это слово стало применяться к приборам для измерения характера, а не количества потока, а другие значения устарели. (Основной источник: Oxford English Dictionary ) Принцип и работа реометров описаны в нескольких текстах. [1] [2]
Типы реометров сдвига
Геометрия сдвига
В зависимости от их геометрии можно определить четыре основные плоскости сдвига.
- Поток пластин Куэтта
- Цилиндрический поток
- Течение Пуазейля в трубке и
- Пластина-пластина потока
Затем различные типы реометров сдвига используют одну или комбинацию этих геометрических форм.
Линейный сдвиг
Одним из примеров реометра линейного сдвига является линейный реометр для кожи Goodyear, который используется для тестирования составов косметических кремов и в медицинских исследовательских целях для количественной оценки эластичных свойств тканей. Устройство работает путем прикрепления линейного зонда к поверхности исследуемой ткани, к нему прикладывается контролируемая циклическая сила, а результирующая сила сдвига измеряется с помощью тензодатчика. Смещение измеряется с помощью LVDT. Таким образом, основные параметры напряжения и деформации фиксируются и анализируются для определения динамической жесткости пружины исследуемой ткани.
Трубка или капилляр
Жидкость нагнетается через трубку постоянного поперечного сечения и точно известных размеров в условиях ламинарного потока . Либо расход, либо падение давления фиксируются, а другое измеряется. Зная размеры, расход можно преобразовать в значение скорости сдвига, а падение давления в значение напряжения сдвига . Изменение давления или расхода позволяет определить кривую расхода. Когда для реометрической характеристики доступно относительно небольшое количество жидкости, микрофлюидный реометр со встроенными датчиками давления может использоваться для измерения падения давления при контролируемой скорости потока. [3] [4]
Капиллярные реометры особенно полезны для характеристики терапевтических белковых растворов, так как они определяют возможность спринцевания. [5] Кроме того, существует обратная зависимость между реометрией и стабильностью раствора, а также термодинамическими взаимодействиями.
Реометр динамического сдвига
Динамический сдвиг реометр , широко известный как DSR используется для научных исследований и разработок, а также для контроля качества в производстве широкого спектра материалов. Реометры динамического сдвига используются с 1993 года, когда Superpave использовался для определения характеристик и понимания высокотемпературных реологических свойств асфальтовых вяжущих как в расплавленном, так и в твердом состоянии, и является фундаментальным для определения химического состава и прогнозирования конечных характеристик этих материалов.
Вращающийся цилиндр
Жидкость помещается в кольцевое пространство одного цилиндра внутри другого. Один из цилиндров вращается с заданной скоростью. Это определяет скорость сдвига внутри затрубного пространства. Жидкость имеет тенденцию увлекать другой цилиндр по кругу, и измеряется сила, которую она оказывает на эти цилиндры ( крутящий момент ), которая может быть преобразована в напряжение сдвига . Одной из версий этого является вискозиметр Fann VG, который работает на двух скоростях (300 и 600 об / мин) и поэтому дает только две точки на кривой потока. Этого достаточно, чтобы определить пластиковую модель Бингема, которая раньше широко использовалась в нефтяной промышленности для определения характеристик текучести буровых растворов . В последние годы использовались реометры со скоростью вращения 600, 300, 200, 100, 6 и 3 об / мин. Это позволяет использовать более сложные модели жидкостей, такие как модели Гершеля – Балкли . Некоторые модели позволяют непрерывно увеличивать и уменьшать скорость запрограммированным образом, что позволяет измерять свойства, зависящие от времени.
Конус и пластина
Жидкость помещается на горизонтальную тарелку и помещается в нее неглубокий конус. Угол между поверхностью конуса и пластиной составляет 1-2 градуса, но может варьироваться в зависимости от типа проводимых испытаний. Обычно пластина вращается и измеряется крутящий момент на конусе. Хорошо известной версией этого прибора является реогониометр Вайссенберга, в котором движению конуса препятствует вращающийся тонкий кусок металла, известный как торсионный стержень . Известная реакция торсионного стержня и степень скручивания дают напряжение сдвига , в то время как скорость вращения и размеры конуса дают скорость сдвига . В принципе, реогониометр Вайссенберга - это абсолютный метод измерения при условии его точной настройки. Другие инструменты, работающие по этому принципу, могут быть проще в использовании, но требуют калибровки с использованием известной жидкости. Конусные и пластинчатые реометры также могут работать в колебательном режиме для измерения упругих свойств или в комбинированном вращательном и колебательном режимах.
Типы реометров растяжения
Разработка реометров растяжения шла медленнее, чем реометров сдвига, из-за проблем, связанных с созданием однородного протяженного потока. Во-первых, взаимодействие испытательной жидкости или расплава с твердыми поверхностями раздела приведет к возникновению сдвигового потока, который ухудшит результаты. Во-вторых, история деформации всех материальных элементов должна контролироваться и известна. В-третьих, скорости деформации и уровни деформации должны быть достаточно высокими, чтобы растягивать полимерные цепи за пределы их нормального радиуса вращения, что требует оборудования с большим диапазоном скоростей деформации и большим расстоянием перемещения. [6] [7]
Коммерчески доступные реометры растяжения были разделены в соответствии с их применимостью к диапазонам вязкости. Материалы с диапазоном вязкости приблизительно от 0,01 до 1 Па · с. (большинство растворов полимеров) лучше всего охарактеризовать с помощью реометров капиллярного разрыва, устройств с противоположной струей или систем сужающегося потока. Материалы с диапазоном вязкости приблизительно от 1 до 1000 Па · с. используются в реометрах натяжения нити. Материалы с высокой вязкостью> 1000 Па · с, такие как расплавы полимеров, лучше всего характеризуются устройствами постоянной длины. [8]
Реометрия растяжения обычно выполняется на материалах, которые подвергаются деформации растяжения. Этот тип деформации может происходить во время обработки, такой как литье под давлением, прядение волокна, экструзия, выдувное формование и нанесение покрытий. Это также может происходить во время использования, например, при отщеплении клея, перекачивании мыла для рук и работе с жидкими пищевыми продуктами.
Список имеющихся в настоящее время и ранее продаваемых на рынке реометров растяжения представлен в таблице ниже.
Имеющиеся в продаже реометры растяжения
Название инструмента | Диапазон вязкости [Па.с] | Тип потока | Производитель | |
---|---|---|---|---|
В настоящее время продается | Rheotens | > 100 | Прядение волокна | Goettfert |
КАБЕР | 0,01-10 | Капиллярный разрыв | Thermo Scientific | |
Сентманат - реометр растяжения | > 10000 | Постоянная длина | Инструменты Xpansion | |
FiSER | 1–1000 | Растяжение нити | Кембриджская группа полимеров | |
ВАДЕР | > 100 | Контролируемое растяжение нити | Рео Нить | |
Ранее продаваемые | RFX | 0,01-1 | Противоположная струя | Реометрические научные |
RME | > 10000 | Постоянная длина | Реометрические научные | |
MXR2 | > 10000 | Постоянная длина | Магна Проекты |
Rheotens
Rheotens - это реометр для прядения волокон, подходящий для расплавов полимеров. Материал перекачивается из трубы, расположенной выше по потоку, и набор колес удлиняет нить. Датчик силы, установленный на одном из колес, измеряет результирующую силу растяжения. Из-за предварительного сдвига, возникающего при транспортировке жидкости через трубу, расположенную выше по потоку, трудно получить истинную вязкость при растяжении. Однако Rheotens полезен для сравнения свойств текучести при растяжении гомологичного набора материалов.
КАБЕР
CaBER - это реометр разрыва капилляров . Между пластинами помещается небольшое количество материала, которые быстро растягиваются до фиксированного уровня деформации. Диаметр средней точки контролируется как функция времени, когда филаментная нить сужается и разрушается под действием комбинированных сил поверхностного натяжения, силы тяжести и вязкоупругости. Вязкость при растяжении может быть извлечена из данных как функция деформации и скорости деформации. Эта система полезна для жидкостей с низкой вязкостью, чернил, красок, клеев и биологических жидкостей.
FiSER
FiSER (реометр растяжения нити) основан на работах Sridhar et al. и Анна и др. [9] В этом приборе набор линейных двигателей раздвигает филамент с экспоненциально увеличивающейся скоростью, одновременно измеряя силу и диаметр как функцию времени и положения. Путем деформации с экспоненциально увеличивающейся скоростью в образцах может быть достигнута постоянная скорость деформации (исключая ограничения потока на торцевой пластине). Эта система может отслеживать зависящую от деформации вязкость при растяжении, а также снижение напряжения после прекращения потока. Подробную презентацию о различных применениях реометрии растяжения нити можно найти на веб-сайте MIT. [10]
Сентманат
Реометр расширения Sentmanat (SER) на самом деле представляет собой приспособление, которое может быть установлено в полевых условиях на реометрах сдвига. Пленка полимера наматывается на два вращающихся барабана, которые прикладывают к полимерной пленке деформацию растяжения с постоянной или переменной скоростью деформации. Напряжение определяется крутящим моментом, создаваемым барабанами.
Другие типы реометров растяжения
Акустический реометр
Акустические реометры используют пьезоэлектрический кристалл, который может легко запустить в жидкость последовательную волну расширений и сокращений. В этом бесконтактном методе применяется осциллирующее напряжение растяжения. Акустические реометры измеряют скорость звука и затухание ультразвука для набора частот в мегагерцовом диапазоне. Скорость звука является мерой эластичности системы. Его можно преобразовать в сжимаемость жидкости. Затухание - это мера вязких свойств. Его можно преобразовать в вязкий продольный модуль. В случае ньютоновской жидкости затухание дает информацию об объемной вязкости. Этот тип реометра работает на гораздо более высоких частотах, чем другие. Он подходит для изучения эффектов с гораздо более коротким временем релаксации, чем любой другой реометр.
Падающая пластина
Более простая версия реометра натяжения нити, реометр с падающей пластиной помещает жидкость между двумя твердыми поверхностями. Верхняя пластина закреплена, а нижняя пластина падает под действием силы тяжести, вытягивая струну жидкости.
Капиллярный / сокращающийся поток
В других системах жидкость проходит через отверстие, расширяется из капилляра или всасывается с поверхности в столб под действием вакуума. Капиллярный реометр под давлением может использоваться для термической обработки жидких пищевых продуктов. Эти приборы могут помочь предотвратить чрезмерную или недостаточную обработку жидкой пищи, поскольку нет необходимости в экстраполяции на высокие температуры. [11]
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Macosko, Christopher W. (1994). Реология: принципы, измерения и приложения . Wiley-VCH. ISBN 0-471-18575-2.
- ^ Ферри, JD (1980). Вязкоупругие свойства полимеров . Вайли. ISBN 0-471-04894-1.
- ^ Труба, CJ; Majmudar, TS; Мак-Кинли, Г. Х. (2008). «Вискозиметрия с высокой скоростью сдвига». Rheologica Acta . 47 (5–6): 621–642. DOI : 10.1007 / s00397-008-0268-1 . S2CID 16953617 .
- ^ Chevalier, J; Айела, Ф. (2008). «Микрожидкостные вискозиметры на чипе». Rev. Sci. Instrum . 79 (7): 076102. Bibcode : 2008RScI ... 79g6102C . DOI : 10.1063 / 1.2940219 . PMID 18681739 .
- ^ Хадсон, Стивен (10 октября 2014 г.). «Микролитровый капиллярный реометр для характеристики белковых растворов». Журнал фармацевтических наук . 104 (2): 678–685. DOI : 10.1002 / jps.24201 . PMID 25308758 .
- ^ Макоско, Кристофер В. (1994). Реология: принципы, измерения и приложения . Нью-Йорк: ВЧ. ISBN 1-56081-579-5.
- ^ Барнс, Ховард А. (2000). Справочник по элементарной реологии . Аберистуит: Univ. Уэльса, Институт механики неньютоновской жидкости. ISBN 0-9538032-0-1.
- ^ Справочник Springer по экспериментальной механике жидкости, Tropea, Foss, Yarin (eds), глава 9.1 (2007)
- ^ Sridhar, J. Механизм неньютоновской жидкости, том 40, 271–280 (1991); Анна, J. Механика неньютоновской жидкости, том 87, 307–335 (1999)
- ^ МакКинли, Г. "Десятилетие реометрии растяжения нити" . web.mit.edu .
- ^ Рос-Польски, Валькирия (5 марта 2014 г.). «Реологический анализ раствора сахарозы при высоких температурах с использованием капиллярного реометра под давлением с микроволновым нагревом». Пищевая наука . 79 (4): E540 – E545. DOI : 10.1111 / 1750-3841.12398 . PMID 24597707 .
- К. Уолтерс (1975) Реометрия (Чепмен и Холл) ISBN 0-412-12090-9
- ASDukhin и PJGoetz "Ультразвук для характеристики коллоидов", Elsevier, (2002)
Внешние ссылки
- См. Реометр динамического сдвига от Cooper Research Technology
- Презентация об альтернативных вариантах использования реометров