粘度流動曲線 – パート1

なぜ単に数値を提供するのではなく、粘度流動曲線を測定するのか？

多くの場合、化学者は、製品や配合に対して単一の粘度の値を提供するよう求められますが、測定に必要な条件についてはあまり情報がありません。ニュートン流体である油や低粘度の液体の場合、粘度計が正しく校正され、測定温度が提供されれば、これは非常に単純なことです。しかし、高分子溶液、懸濁液、エマルジョンなどの産業的に興味深い、または複雑な流体の多くは非ニュートン流体であり、その粘度はせん断速度によって変わります（せん断速度とはせん断力が加えられる速さを指します）- また時間依存性（チキソトロピー）を持つ場合もあります。それゆえ、せん断または時間に敏感なサンプルに対しては、必要なデータを生成するために、より多くの質問を行う必要があります。

予想されるように、粘度が低下すると液体をポンプで移動させたり広げたりすることが容易になりますが、粘度が増加すると滴下を抑制します – これは塗料やインクなどの製品には利点となります。高粘度はまた、医薬品、パーソナルケア製品、飲料中の粒子を懸濁させるために必要な構造を提供します。製品の粘度を最終使用の要件と正確に一致させることは、製品価値の構築や消費者の期待に応えるための貴重な戦略です。

ほとんどの複雑な流体はせん断薄化性を持ち、すなわちせん断速度が増加するにつれてその粘度は減少しますが、非常に濃縮された懸濁液などの特定の系はせん断増粘性を示し、高せん断速度で粘度が増加することがあります。つまり、製品使用時に適用されるせん断条件下で測定しないと、フォーミュレーションの粘度を性能要件に適合させることはできません。

測定範囲の定義

ここでのカギは、単なる任意の数値を提供するのではなく、関連性のある結果を提供することです… 例えば、20°Cでは、マヨネーズは0.1 s^-1のせん断速度で500,000 mPasまたはcPの粘度を持ちますが、100 s^-1では粘度は約2,000 mPasに低下するので、粘度はそれが経験するせん断速度に非常に依存しています。多くのプロセスでは、材料は広範囲のせん断速度を経ます。例えば、ポンプでのとき、材料は最初に中程度低せん断でポンプに引き込まれ、その後ポンプのブレードを通過する際に高せん断を受け、出口では再び低せん断を受けます。従って、全体のポンププロセスをシミュレートするには、かなり広範囲のせん断速度範囲（つまり1から1,000 s^-1）を測定する必要があります。

便利な情報:

「せん断速度」という用語は、サンプルが単位体積あたりに経験するせん断流れ率を記述し、「せん断応力」いう用語は、サンプルが単位体積あたりに経験するせん断力を記述します。

せん断速度は、流体速度だけでなく、せん断されている流体の寸法にも依存するため、パイプ流のケースでは、流量とパイプ直径の両方が重要であることを計算できることに注意してください[1]。また、粘度要求の起源を考えることも価値があります。これは単に品質管理パラメーターとして求められているのか、それともプロセス問題の解決のために情報が必要とされているのか？たとえば、パイプラインでの流れの開始に関する問題を考えている場合、低せん断速度粘度または降伏応力がもっとも適切な値かもしれません。一方、狭いパイプでの安定した流れ速度を考慮する場合は、高せん断を使用する方が良いでしょう。

上記の表からわかるように、異なるプロセスには単一のせん断速度ではなくさまざまなせん断速度が関連しており、単一の製品はその寿命サイクル中にこれら異なるプロセスの多くにさらされる可能性があります。

いくつかのケースでは単一の粘度値（正しいせん断速度で作成される）が十分かもしれませんが、多くの場合、製品は一定のせん断速度範囲を経験するため、より多くの粘度情報が必要です。これにより平衡流動曲線を生成する必要が生じます。同様に、プロセスの温度も粘度測定時に考慮する必要があり、これは重要な要素です。経験則として、水ベースのシステムは約2％/°Cで減少し、油ベースのシステムは温度上昇により約10％/°Cで粘度が減少するため、後者の場合、良好な温度管理が重要となり得ます。

回転型レオメーターによるせん断プロセスのシミュレーション

既知の寸法の幾何学的配置（例えばコーンとプレート、平行プレートまたはカップとボブ）で回転型レオメーター上で材料をせん断することにより、ミキサーやコーティングプロセスで経験されるようなより複雑な流動体制のせん断速度と応力を直接シミュレートすることが可能です。これにより、生産、保存および最終使用条件に関連するプロセスを非常に制御された環境で小規模なサンプル量を使用して直接シミュレートすることができ、異なる製品やフォーミュレーションを簡単かつ迅速に比較することができます。

さらに、優れた性能を持つ既知の製品、例えば安定性が良く、適切にポンプされるなどの製品の流動曲線を測定して許容粘度範囲を初期定義した場合、それはフォーミュレーターやプロセスエンジニアが目指すべきターゲットの粘度値や範囲を提供します。フォーミュレーション、生産過程および最終使用の多くの部分で製品の粘度を知ることは有用です。

広い速度とトルク範囲を持つKinexusのようなレオメーターを使用することで、広範なせん断速度範囲で粘度を測定できるだけでなく、単一の測定でこれを達成する可能性もあり、保存、処理および最終使用に関する情報を同時に提供します！

次のブログでは、流動曲線を最適に測定する方法について説明し、どの測定ジオメトリを使用するか、測定アーティファクトを見つけて防ぐ方法を含めます。

1. Malvern Instruments アプリケーションノート – 非ニュートン製品の処理: 直線円管でのパワー流体の圧力降下の決定

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