流變儀
流變儀（英語：rheometer）是表徵物體流變行為的實驗裝置。對於牛頓流體，可以用應力＝粘度×應變速率來描述。但是現實中的固體存在不符合胡克定律的塑性變形，液體也全是非牛頓流體。特別對於高分子，具有粘彈性性質，情況複雜。和測量確定情況下物體黏度的黏度計不同，流變儀可以測量不同應力或不同應變速率下黏度和模量的變化[1][2]。流變儀一般分為兩類：剪切流變儀和拉伸流變儀。
類型
編輯剪切型
編輯
剪切流變儀基本原理是兩種，控制應變速率，測量剪切應力的變化和控制剪切應力，測量應變速率的變化。 根據剪切性流變儀器件的幾何形狀，可以分為以下幾類
- 庫艾特平板拖曳流
- 柱形流
- 管內泊松流
- 平板流測量
線性剪切
編輯線性剪切流變儀的一個例子是固特異線性皮膚流變儀，可用於測試化妝品配方，以及用於醫學研究目的以量化組織的彈性特性。
該設備的工作原理是將線性探針連接到被測組織的表面，施加受控的循環力，使用測力傳感器測量產生的剪切力。試樣的位移是使用線性變量微分轉化器（LVDT）測量的。因此，可以獲得和分析基本的應力-應變參數，以推導出被測組織的動態彈簧剛度。
毛細管式流變儀
編輯在 層流 條件下，液體受力通過橫截面積恆定且尺寸精確已知的管子。 流速和壓降兩個量中一個是固定值，另一個是測量值。 利用管子尺寸，流速可以被轉換為剪切速率，壓降可以轉換為剪切應力，最終可以得到流變曲線。當相對少量的流體可用於流變表徵時，可以使用帶有嵌入式壓力傳感器的微流體流變儀來測量受控流速下的壓降[3][4]
毛細管流變儀對於表徵治療性蛋白質溶液特別有利，因為它決定了注射的能力。[5]
旋轉同心圓柱
編輯液體被放置在內圓柱和外部空心圓柱之間的圓環空隙內。實心圓柱以設定的速度旋轉，決定了環內液體的剪切速率。液體傾向於拖動外面的空心圓柱體，它施加在空心圓柱體上的扭矩可以被記錄，並轉換為剪切應力，從而得到流變曲線。該模型曾廣泛用於 石油工業，用於確定 鑽井液 的流動特性。近年來，已使用以 600、300、200、100、6 和 3 RPM 旋轉的流變儀。這允許使用更複雜的流體模型，例如 Herschel-Bulkley。某些型號允許以編程方式連續增加和減少速度，從而可以測量與時間相關的屬性。
錐-板測量
編輯液體被置於水平板上，測量裝置為淺錐體。平板和錐體的夾角約為1-2度。通過測量體系旋轉後的轉矩來獲得流變曲線。
拉伸流變儀
編輯拉伸流變測量通常在需要經受拉伸變形的材料上進行。比如需要拉伸加工的聚合物材料，例如注塑、纖維紡絲、擠出、吹塑和塗層流。它也可能在使用過程中發生，例如粘合劑的脫粘、洗手液的泵送和液體食品的處理。
由於均勻的拉伸流較難產生，拉伸流變儀的發展較慢。首先，測試流體或熔體與固體界面的相互作用將導致剪切流分量，這會影響結果。其次，必須控制和了解所有材料元素的應變歷史。第三，應變速率和應變必須足夠高，以將聚合物鏈拉伸到超出其正常迴轉半徑之外，這需要具有大變形率範圍和大行程距離的儀器。[6][7]
市售的拉伸流變儀一般根據所測粘度範圍進行了分類。黏度範圍從大約0.01到1 Pa·s的材料，比如大多數聚合物溶液，最好用毛細管破裂流變儀、反向噴射裝置或收縮流系統來進行表徵。對於黏度範圍從大約1到1000 Pa·s的材料，可以使用長絲拉伸流變儀。對於黏度大於1000 Pa·s的高黏度材料，比如聚合物熔體，最好用定長裝置表徵。[8]
CaBER
編輯毛細管破裂流變儀是將少量材料放置在板之間，這些板會迅速拉伸到固定的應變水平。隨着流體細絲在表面張力、重力和粘彈性的聯合作用下頸縮和斷裂，中點直徑可作為時間的函數進行監測。作為應變和應變率函數的拉伸黏度可以從數據中提取出來。該系統適用於低黏度流體，比如墨水、油漆、粘合劑和生物流體。
FiSER
編輯在該儀器中，一組線性電機以指數增長的速度拉伸流體細絲，同時測量作為時間和位置函數的力和直徑。該系統可以監測應變相關的拉伸粘度，以及流動停止後的應力衰減。[9][10]
其它類型的流變儀
編輯聲流變儀
編輯聲流變儀採用壓電晶體，可以輕鬆地將連續的伸縮波發射到流體中。通過這種非接觸式方法施加一個振盪拉伸應力。聲流變儀可以測量兆赫範圍內一組頻率下對應超聲波的聲速和衰減。聲速是衡量系統彈性的指標，衰減則是粘性特性的量度，它可以轉化為粘性縱向模量。在牛頓液體的情況下，通過衰減可以求出黏度值。這種類型的流變儀的工作頻率比其他類型高得多，適用於研究應力鬆弛很短的各種效果。
毛細管/收縮流
編輯其他系統涉及通過孔口、從毛細管膨脹或通過真空從表面吸入柱中的液體。加壓毛細管流變儀可用於設計對流體食品的熱處理。這種儀器可以幫助防止流體食品的過度加工和加工不足，因為不需要外推到高溫。[11]
參考文獻
編輯- ^ Macosko, Christopher W. Rheology: Principles, Measurements, and Applications. Wiley-VCH. 1994. ISBN 0-471-18575-2.
- ^ Ferry, JD. Viscoelastic Properties of Polymers. Wiley. 1980. ISBN 0-471-04894-1.
- ^ Pipe, CJ; Majmudar, TS; McKinley, GH. High Shear-Rate Viscometry. Rheologica Acta. 2008, 47 (5–6): 621–642. S2CID 16953617. doi:10.1007/s00397-008-0268-1.
- ^ Chevalier, J; Ayela, F. Microfluidic on chip viscometers. Rev. Sci. Instrum. 2008, 79 (7): 076102. Bibcode:2008RScI...79g6102C. PMID 18681739. doi:10.1063/1.2940219.
- ^ Hudson, Steven. A Microliter Capillary Rheometer for the Characterization of Protein Solutions. Journal of Pharmaceutical Sciences. 10 October 2014, 104 (2): 678–685. PMID 25308758. doi:10.1002/jps.24201.
- ^ Macosko, Christopher W. Rheology : principles, measurements, and applications. New York: VCH. 1994. ISBN 1-56081-579-5.
- ^ Barnes, Howard A. A handbook of elementary rheology. Aberystwyth: Univ. of Wales, Institute of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 2000. ISBN 0-9538032-0-1.
- ^ Springer Handbook of Experimental Fluid Mechanics, Tropea, Foss, Yarin (eds), Chapter 9.1(2007)
- ^ Sridhar, J. Non-Newtonian Fluid Mech., vol 40, 271–280 (1991); Anna, J. Non-Newtonian Fluid Mech., vol 87, 307–335 (1999)
- ^ McKinley, G. A decade of filament stretching rheometry. web.mit.edu. [2021-09-07]. （原始內容存檔於2021-02-24）.
- ^ Ros-Polski, Valquíria. Rheological Analysis of Sucrose Solution at High Temperatures Using a Microwave-HeatedPressurized Capillary Rheometer. Food Science. 5 March 2014, 79 (4): E540–E545. PMID 24597707. doi:10.1111/1750-3841.12398.
- K. Walters (1975) Rheometry (Chapman & Hall) ISBN 0-412-12090-9
- A.S.Dukhin and P.J.Goetz "Ultrasound for characterizing colloids", Elsevier, (2002)