점도 흐름 곡선 – Part 1

왜 단순히 숫자를 제공하기보다 점도 흐름 곡선을 측정해야 할까요?

화학자들은 종종 제품이나 조성물에 대한 단순한 점도 값을 요구받지만, 측정 조건에 대한 충분한 정보는 제공되지 않습니다. 뉴턴 유체인 오일이나 저점도 액체의 경우 점도계가 적절히 교정되고 측정 온도가 제공되면 이는 매우 간단합니다. 그러나 고분자 용액, 현탁액, 에멀젼과 같은 산업적으로 흥미로운 복합 유체의 대부분은 비뉴턴 유체입니다. 즉, 전단 속도에 따라 점도가 변하며 전단 속도는 전단력이 가해지는 속도입니다 – 시간 의존적(티크소트로피)이 될 수도 있습니다. 따라서 전단 또는 시간에 민감한 샘플의 경우 필요한 데이터를 생성할 수 있도록 더 많은 질문이 필요합니다.

점도를 낮추면 액체를 펌프하고 퍼뜨리기가 더 쉬워지는 반면, 점도를 높이면 액체가 흐르지 않게 하여 페인트나 잉크와 같은 제품에 있어 이점이 될 수 있습니다. 높은 점도는 약물, 개인 관리 제품 및 음료에서 입자를 정지시키는 데 필요한 구조를 제공합니다. 제품의 점도가 최종 사용 요구 사항과 밀접하게 일치하도록 하는 것은 제품 가치를 구축하고 소비자 기대를 충족시키기 위한 유용한 전략입니다.

대부분의 복합 유체는 전단 박화성을 가지며, 즉, 점도가 전단 속도가 증가함에 따라 감소하지만, 매우 농축된 현탁액과 같은 특정 시스템에서는 전단 열화성을 나타내며 높은 전단 속도에서 점도가 증가합니다. 즉, 제품 사용 중 적용되는 전단 조건에서 점도를 측정해야만 성능 요구 사항에 맞게 조성물의 점도를 성공적으로 일치시킬 수 있습니다.

측정 범위 정의

여기서 핵심은 임의의 숫자를 제공하는 것이 아니라 관련 있는 결과를 제공하는 것입니다… 예를 들어 20°C에서 마요네즈는 전단 속도 0.1 s^-1에서 500,000 mPas 또는 cP의 점도를 가지지만 100 s^-1에서는 점도가 약 2,000 mPas까지 떨어집니다. 그래서 점도는 경험하는 전단 속도에 매우 의존적입니다. 많은 공정에서 재료는 다양한 전단 속도를 경험합니다. 예를 들어, 펌핑할 때, 재료는 먼저 중간 전단에서 펌프에 흡입되고, 펌프의 블레이드를 지나면서 높은 전단을 경험한 후, 다시 낮은 전단이 적용됩니다. 따라서 전체 펌핑 과정을 시뮬레이션하려면 광범위한 전단 속도 범위(예: 1 ~ 1,000 s^-1)에 걸쳐 측정해야 합니다.

유용한 요약:

“전단 속도”라는 용어는 샘플이 경험하는 전단 유량 속도를 단위 부피당 설명하며, “전단 응력”은 샘플이 경험하는 전단 힘을 단위 부피당 설명합니다.

전단 속도는 유체 속도뿐만 아니라 전단받는 유체의 치수에도 의존적이라는 점을 주의해야 합니다. 예를 들어 파이프 흐름의 경우 유량과 파이프 직경이 모두 중요하며, 이는 [1]에서 계산할 수 있습니다. 또한 점도 요청의 기원을 고려해볼 가치가 있습니다; 단지 품질 제어 매개변수로 요청된 것인지, 아니면 공정 문제 해결에 필요한 정보인지. 예를 들어, 파이프라인에서 흐름을 시작하는 문제를 고려하는 경우, 낮은 전단 속도의 점도나 항복 응력이 가장 관련 있을 수 있으며, 반면 좁은 파이프에서의 안정적인 유량을 고려하는 경우, 더 높은 전단 속도가 더 적합할 수 있습니다.

위의 표에서 볼 수 있듯이, 서로 다른 프로세스는 단일 전단 속도보다 다양한 전단 속도 범위를 가지며, 단일 제품이 그 수명 주기 동안 이러한 서로 다른 많은 프로세스에 노출될 수 있습니다.

일부 경우에는 점도의 단일 값이 충분할 수 있습니다 ( 정확한 전단 속도에서 만들어진 경우), 하지만 대다수의 제품은 다양한 전단 속도를 경험하며 평형 흐름 곡선을 생성할 필요를 만듭니다. 마찬가지로, 공정의 온도는 점도 측정을 할 때 고려되어야 하며 이는 중요한 요소입니다. 경험상 물 기반 시스템은 약 2%/°C 감소하는 반면, 오일 기반 시스템은 온도의 증가에 따라 점도가 약 10%/°C 감소하므로 후자의 경우 온도 제어가 중요할 수 있습니다.

회전 레오미터에서 전단 공정을 시뮬레이션하기

알려진 치수의 기하학적 구성(예: 원뿔과 판, 평행판 또는 컵과 바브)에서 물질에 전단을 가하여, 믹서나 코팅 공정에서 경험하는 복합 흐름 상태의 전단 속도 및 응력을 회전 레오미터에서 직접 시뮬레이션할 수 있습니다. 이렇게 하면 소량의 샘플을 사용하여 매우 통제된 환경에서 생산, 저장 및 최종 사용 조건과 관련된 공정을 직접 시뮬레이션할 수 있으며, 서로 다른 제품과 조성물을 쉽고 빠르게 비교할 수 있습니다.

더 나아가, 만약 잘 수행된 제품(예: 안정성이 좋은, 적절히 펌프되는 등)의 흐름 곡선을 측정하여 허용 가능한 점도 범위를 처음에 정의하면, 이는 조성자나 공정 엔지니어가 목표로 삼아야 할 목표 점도 값이나 범위를 제공할 수 있습니다. 제품의 점도는 아래에 삽입된 이미지와 같이 조성, 생산 및 최종 사용의 여러 부분에 유용한 정보를 제공합니다.

예를 들어 Kinexus와 같이 넓은 속도 및 토크 범위를 가진 레오미터를 사용하여 넓은 전단 속도 범위에 걸쳐 점도를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 단일 측정으로 이를 달성하여, 저장, 처리 및 최종 사용에 대한 정보를 동시에 제공합니다!

다음 블로그에서는 측정 기하학을 선택하고 측정 아티팩트를 방지하는 방법을 포함하여 흐름 곡선을 최상으로 측정하는 방법에 대해 다룰 것입니다.

1. 말번 악기 애플리케이션 노트 – 비뉴턴 제품 처리: 직선 원형 파이프의 파워 로우 유체에 대한 압력 강하 결정

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