黏度流量曲線 – 第 1 部分

為什麼要測量黏度流量曲線，而不是僅給出一個數值？

化學家經常被要求為產品或配方提供單一的黏度值，而不需要了解測量條件的詳細信息。對於牛頓流體如油或低黏度液體來說，只要粘度計經過適當校準並提供測量溫度，這是很簡單的。然而，大多數工業上有趣或複雜的流體如聚合物溶液、懸浮液和乳液是非牛頓流體，這意味著其黏度會隨剪切速率變化——剪切速率是指施加剪切力的速率——並且可能還會隨時間而變化（觸變性）。因此，對於剪切或時間敏感的樣品，需要提出更多問題以便生成所需的數據。

如預期所料，降低黏度可以使液體更易於泵送和展開，而增加它則可以減少滴漏——這對於如油漆和墨水等產品來說可能是一個優勢。高黏度還可以提供懸浮顆粒在藥品、個人護理產品和飲料中所需的結構。確保產品的黏度與最終用途需求密切匹配是一種增加產品價值和滿足消費者期望的有效策略。

大多數複雜流體是剪切稀化的，即它們的黏度隨著剪切速率的增加而減少，儘管某些系統如非常濃縮的懸浮液可能會表現出剪切增稠現象，即在高剪切速率下黏度增加。這意味著只有在使用該產品時施加的剪切條件下測量黏度，才能成功地將配方的黏度匹配到性能要求。

設定測量範圍

關鍵在於提供相關結果而不是僅僅一個任意數字。例如在20°C時，美乃滋在剪切速率為0.1 s^-1時的黏度為500,000 mPas或cP，而在100 s^-1時黏度降至約2,000 mPas，因此黏度非常依賴於它所經歷的剪切速率。在許多過程中，材料會經歷一系列的剪切速率。例如在泵送時，材料首先以中等低的剪切速率進入泵中，然後在通過泵葉片時經歷高剪切，最後在退出時再經歷低剪切。因此，要模擬整個泵送過程，需要在相當廣闊的剪切速率範圍（即1到1,000 s^-1）內測量。

實用片段：

術語”剪切速率”描述的是樣品每單位體積所經歷的剪切流量速率，而術語”剪切應力”描述的是樣品每單位體積所承受的剪切力量。

值得注意的是，剪切速率不僅依賴於流體的速度，還取決於流體被剪切的尺寸，因此在管道流動的情況下，流量和管道直徑都很重要，並且這可以計算[1]。此外，還值得思考黏度要求的來源；是僅作為一個質量控制參數，還是需要用於解決過程問題？例如，如果考慮在管道中啟動流動的問題，那麼低剪切速率的黏度或屈服應力可能是最相關的數值，而如果考慮在狹窄的管道中的穩定流速，那麼使用較高剪切速率可能更好。

從上表可以看出，不同的過程具有不同範圍的剪切速率，而不是單一的剪切速率，並且單一產品在其生命週期中可能會暴露於多種不同的過程中。

雖然在某些情況下（在正確的剪切速率下測量）一個黏度值可能足夠，但大多數產品需要更多的黏度信息，因為它們經歷一系列的剪切速率，因此需要生成一個平衡流量曲線。同樣，考慮到溫度變化的影響是黏度測量中的關鍵因素，一般來說，水基系統隨溫度每升高1°C，黏度降低約2%，而油基系統則降低約10%，因此在後一種情況下良好的溫度控制至關重要。

在旋轉流變儀上模擬剪切過程

通過在已知尺寸的幾何配置（如圓錐和平板、平行板或杯子和轉子）系統上剪切材料，使用旋轉流變儀，可以直接模擬在混合器或塗層過程中經歷的更複雜流動狀態的剪切速率和應力。這使我們能夠在非常控制的環境中使用少量樣品直接模擬生產、儲存和最終使用條件相關的過程，並使我們能夠輕鬆快速地比較不同產品和配方。

此外，如果我們通過測量已知性能良好的產品（例如具有良好穩定性、泵送效果可接受等）的流量曲線初步定義了一個可接受的黏度範圍，那麼這可以為配方師或過程工程師提供一個目標黏度值或範圍。產品的黏度在配方、製造和最終使用的許多方面都很有用，如下所示。

使用擁有廣泛速度和扭矩範圍的流變儀，如Kinexus，不僅可以在廣泛的剪切速率範圍內測量黏度，而且可能在一次測量中就能實現，這同時提供關於儲存、加工和最終使用的信息！

在我的下一篇博客中，我們將討論如何最好地測量流量曲線，包括選擇哪種測量幾何形狀以及如何識別和防止測量假象。

1. Malvern Instruments 應用說明 – 處理非牛頓產品：確定沿直圓管的冪律流體的壓降

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