粘度流动曲线 – 第1部分

为何测量粘度流动曲线而不是仅给出一个数值？

通常情况下，化学家被要求为某个产品或配方提供单一的粘度值，而未提供关于测量条件的详细信息。对于像油或低粘度液体这样具有牛顿ian性质的流体来说，只要粘度计经过正确校准并提供了测量温度，这相对简单。然而，大多数在工业上有吸引力或复杂的流体，如聚合物溶液、悬浮液和乳液是非牛顿ian的，这意味着它们的粘度随着剪切速率不同而变化—剪切速率指施加剪切力的速率—且可能也会随时间变化（触变性）。因此，对于那些对剪切或时间敏感的样品，需要了解更多信息以生成所需的数据。

可以预见的是，降低粘度可以使液体更容易泵送和涂布，而增加粘度则减少了滴漏—这对如油漆和墨水等产品来说可能是一种优势。高粘度也可以提供悬浮颗粒的结构需求，适用于药品、个人护理产品和饮料。确保产品的粘度与最终用途要求紧密匹配，是提高产品价值并满足消费者期望的有效策略。

大多数复杂流体具有剪切稀化性质，即其粘度随剪切速率增加而降低，尽管像非常浓的悬浮液这样的系统在高剪切速率下会表现出剪切增稠，即粘度增加。这意味着，只有在产品使用的剪切条件下测量粘度，才能成功地将配方的粘度与性能要求相匹配。

定义测量范围

关键在于提供相关的结果，而不仅仅是一个任意数字… 例如，在20°C时，蛋黄酱在0.1 s^-1的剪切速率下具有500,000 mPas或cP的粘度，而在100 s^-1时粘度下降到大约2,000 mPas，所以粘度非常依赖于它所经历的剪切速率。 在很多过程中，材料会经历一系列的剪切速率。例如，在泵送时，材料首先在中等低剪切条件下被吸入泵中，然后在通过泵叶片时经历高剪切，最后在排出时再次经历低剪切。因此，为了模拟整个泵送过程，需在相当宽的剪切速率范围内进行测量（即1到1,000 s^-1）。

实用片段：

术语”剪切速率”描述了样品每单位体积所经历的剪切流速，而术语”剪切应力”则描述了样品每单位体积所经历的剪切力。

需要注意的是，剪切速率不仅取决于流体的速度，还取决于被剪切流体的尺寸，因此在管流的情况下，流速和管径都很重要，这可以被计算[1]。同时，值得考虑粘度请求的来源，是作为质量控制参数被要求，还是信息用于解决某个工艺问题？举例来说，如果我们考虑的是管道启动流动的问题，低剪切速率的粘度或屈服应力可能是最相关的值，而如果我们考虑的是窄管中的稳定流速，那么建议使用较高的剪切速率。

从上表可以看出，不同工艺具有不同的剪切速率范围，而不仅仅是单一的剪切速率，并且在其生命周期中，单一产品可能会经历许多这些不同的工艺。

虽然在一些情况下（以正确的剪切速率测量）一个粘度值可能就足够，但大多数产品需要更多的粘度信息，因为它们经历一系列的剪切速率，这就需要生成一个平衡流动曲线。同样，在进行粘度测量时需要考虑工艺的温度，因为这是一个关键因素。经验法则是基于水的系统每增加1°C粘度会降低约2%，而基于油的系统则会降低约10%，因此在后者情况下良好的温度控制可能是至关重要的。

在旋转流变仪上模拟剪切过程

通过在已知尺寸的几何配置（例如圆锥和板，平行板或杯和桶）上使用旋转流变仪对材料进行剪切，可以直接模拟复杂流动状态下的剪切速率和应力，例如在搅拌机或涂覆工艺中体验到的那些。这让我们能够在一个非常受控的环境中使用少量样品直接模拟与生产、储存和最终用途条件相关的过程，并允许我们轻松快速地比较不同的产品和配方。

此外，如果我们通过测量表现良好的产品的流动曲线（例如具有良好的稳定性、可接受的泵送等）来初步定义一个可接受的粘度范围，那么这可以为配方师或工艺工程师提供一个目标粘度值或范围。在配方、生产和最终用途的许多部分中，了解产品的粘度是有用的，如下面所示。

使用像Kinexus这样具有广泛速度和扭矩范围的流变仪，不仅可以在广泛的剪切速率范围内测量粘度，还可以在单次测量中实现这一目标，同时提供关于储存、加工和最终用途的信息！

在我的下一个博客中，我们将讨论如何最好地测量流动曲线，包括使用哪种测量几何形状以及如何识别和防止测量伪影。

1. 马尔文仪器应用说明 – 处理非牛顿产品：确定沿直圆管的幂律流体的压降

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