Реометр — это лабораторное устройство , используемое для измерения способа течения вязкой жидкости ( жидкости , суспензии или суспензии ) в ответ на приложенные силы. Он используется для тех жидкостей, вязкость которых невозможно определить по одному значению и поэтому требуется установка и измерение большего количества параметров, чем в случае вискозиметра . Он измеряет реологию жидкости.
Существует два совершенно разных типа реометров . Реометры, которые контролируют приложенное напряжение сдвига или деформацию сдвига , называются ротационными или сдвиговыми реометрами, тогда как реометры, которые прикладывают напряжение или деформацию растяжения, являются реометрами растяжения. Реометры ротационного или сдвигового типа обычно проектируются либо как собственный инструмент с контролем напряжения (контролируйте и применяйте заданную пользователем деформацию сдвига, которая затем может измерять результирующее напряжение сдвига), либо как собственный инструмент с контролем напряжения (контролируйте и применяйте определяемую пользователем деформацию сдвига, которая затем может измерить результирующее напряжение сдвига). напряжение сдвига и измерить полученную деформацию сдвига).
Слово «реометр» происходит от греческого языка и означает прибор для измерения основного потока. [1] В 19 веке он широко использовался для устройств для измерения электрического тока, пока это слово не было вытеснено гальванометром и амперметром . Он также использовался для измерения расхода жидкостей в медицинской практике (поток крови) и в гражданском строительстве (поток воды). Последнее использование в некоторых регионах сохранялось до второй половины 20-го века. После появления термина « реология» это слово стало применяться к инструментам для измерения характера , а не количества потока, а другие значения устарели. (Основной источник: Оксфордский словарь английского языка ) Принцип и работа реометров описаны в нескольких текстах. [2] [3]
В зависимости от их геометрии можно определить четыре основные плоскости среза:
В различных типах сдвиговых реометров используется одна или комбинация этих геометрий.
Одним из примеров реометра линейного сдвига является линейный кожный реометр Goodyear, который используется для тестирования составов косметических кремов, а также в целях медицинских исследований для количественной оценки эластичных свойств тканей. Устройство работает путем прикрепления линейного датчика к поверхности тестируемой ткани, приложения контролируемой циклической силы и результирующей силы сдвига, измеряемой с помощью датчика нагрузки. Смещение измеряется с помощью LVDT. Таким образом, основные параметры напряжения и деформации фиксируются и анализируются для определения динамической жесткости пружины испытуемой ткани.
Жидкость проталкивается через трубку постоянного сечения и точно известных размеров в условиях ламинарного течения . Фиксируется либо расход, либо падение давления, а другое измеряется. Зная размеры, скорость потока можно преобразовать в значение скорости сдвига , а падение давления — в значение напряжения сдвига . Изменение давления или расхода позволяет определить кривую расхода. Когда для реометрической характеристики доступно относительно небольшое количество жидкости, можно использовать микрофлюидный реометр со встроенными датчиками давления для измерения падения давления при контролируемой скорости потока. [4] [5]
Капиллярные реометры особенно удобны для определения характеристик растворов терапевтических белков, поскольку они определяют возможность их введения шприцем. [6] Кроме того, существует обратная зависимость между реометрией и стабильностью раствора, а также термодинамическими взаимодействиями.
Реометр динамического сдвига , широко известный как DSR, используется для исследований и разработок, а также для контроля качества при производстве широкого спектра материалов. Реометры динамического сдвига используются с 1993 года, когда Superpave использовался для характеристики и понимания высокотемпературных реологических свойств асфальтовых вяжущих как в расплавленном, так и в твердом состоянии, и имеет основополагающее значение для определения химического состава и прогнозирования характеристик конечного использования этих материалов.
Жидкость помещается внутри кольцевого пространства одного цилиндра внутри другого. Один из цилиндров вращается с заданной скоростью. Это определяет скорость сдвига внутри кольцевого пространства. Жидкость стремится перетащить другой цилиндр, и измеряется сила, которую она оказывает на этот цилиндр ( крутящий момент ), которую можно преобразовать в напряжение сдвига . Одной из версий этого является вискозиметр Fann VG, который работает на двух скоростях (300 и 600 об/мин) и поэтому дает только две точки на кривой потока. Этого достаточно, чтобы определить пластическую модель Бингама , которая когда-то широко использовалась в нефтяной промышленности для определения характера течения буровых растворов . В последние годы реометры, вращающиеся со скоростью 600, 300, 200, 100, 6 и 3 об/мин, стали более распространенными. Это позволяет использовать более сложные модели жидкостей, такие как Гершель-Балкли . Некоторые модели позволяют непрерывно программно увеличивать и уменьшать скорость, что позволяет измерять зависящие от времени свойства.
Жидкость помещают на горизонтальную тарелку и помещают в нее неглубокий конус. Угол между поверхностью конуса и пластиной составляет около 1–2 градусов, но может варьироваться в зависимости от типа проводимых испытаний. Обычно пластину вращают и измеряют крутящий момент на конусе. Хорошо известной версией этого прибора является реогониометр Вейсенберга, в котором движению конуса противодействует тонкий кусок металла, который скручивается, известный как торсион . Известная реакция торсиона и степень скручивания дают напряжение сдвига , а скорость вращения и размеры конуса дают скорость сдвига . В принципе, реогониометр Вайсенберга является абсолютным методом измерения при условии его точной настройки. Другие приборы, работающие по этому принципу, могут быть проще в использовании, но требуют калибровки с использованием известной жидкости. Конусные и пластинчатые реометры также могут работать в колебательном режиме для измерения упругих свойств или в комбинированном вращательном и колебательном режимах.
Раньше устройства с контролируемой деформацией или скоростью деформации (реометры CR) отличались от реометров с контролируемым напряжением (реометры CS) в зависимости от принципа измерения.
В реометре с контролируемой деформацией (CR) образец подвергается смещению или скорости (деформации или скорости деформации) с помощью двигателя постоянного тока, а результирующий крутящий момент (напряжение) измеряется отдельно с помощью дополнительного силомоментного датчика (преобразователя компенсации крутящего момента). . Электрический ток, используемый для создания смещения или скорости двигателя, не используется в качестве меры крутящего момента, действующего в образце. Этот режим работы также называется режимом отдельного преобразователя двигателя (SMT).
В реометре с контролируемым напряжением (CS) крутящий момент, действующий в образце, определяется непосредственно по электрическому крутящему моменту, генерируемому двигателем. При такой конструкции отдельный датчик крутящего момента не требуется. Обычно этот режим работы описывается как комбинированный режим двигателя и преобразователя (CMT).
В настоящее время существуют концепции устройств, которые позволяют использовать оба режима работы: комбинированный режим преобразователя двигателя и режим отдельного преобразователя двигателя, используя два двигателя в одном устройстве. Использование только одного двигателя позволяет проводить измерения в режиме комбинированного датчика двигателя. Использование обоих двигателей позволяет работать в режиме отдельного двигателя-преобразователя, когда один двигатель используется для деформации образца, а другой двигатель используется для регистрации крутящего момента, действующего на образец. Кроме того, эта концепция допускает дополнительные режимы работы, такие как режим встречного вращения, когда оба двигателя могут вращаться или колебаться в противоположных направлениях. Этот режим работы используется, например, для увеличения максимально достижимого диапазона скоростей сдвига или для расширенной реоптической характеристики образцов.
Разработка реометров растяжения шла медленнее, чем реометров сдвига, из-за проблем, связанных с созданием однородного потока растяжения. Во-первых, взаимодействие исследуемой жидкости или расплава с границами раздела твердых тел приведет к появлению сдвигового потока, что поставит под угрозу результаты. Во-вторых, необходимо контролировать и знать историю деформации всех элементов материала. В-третьих, скорости деформации и уровни деформации должны быть достаточно высокими, чтобы растянуть полимерные цепи за пределы их нормального радиуса вращения, что требует инструментов с большим диапазоном скоростей деформации и большим расстоянием перемещения. [8] [9]
Коммерчески доступные реометры растяжения разделены в зависимости от их применимости к диапазонам вязкости. Материалы с диапазоном вязкости примерно от 0,01 до 1 Па·с. (большинство растворов полимеров) лучше всего охарактеризовать с помощью реометров капиллярного разрушения, устройств с встречной струей или систем с контракторным потоком. Материалы с диапазоном вязкости примерно от 1 до 1000 Па·с. используются в реометрах растяжения нити. Материалы с высокой вязкостью >1000 Па·с, такие как расплавы полимеров, лучше всего характеризуются устройствами постоянной длины. [10]
Растяжительная реометрия обычно выполняется на материалах, которые подвергаются деформации растяжения. Этот тип деформации может возникнуть во время обработки, такой как литье под давлением, прядение волокна, экструзия, выдувное формование и нанесение покрытия. Это также может произойти во время использования, например, при расслоении клея, перекачивании мыла для рук и обращении с жидкими пищевыми продуктами.
Список коммерчески доступных в настоящее время и ранее продаваемых реометров растяжения показан в таблице ниже.
Rheotens — это реометр для прядения волокон, подходящий для расплавов полимеров. Материал перекачивается из расположенной выше по потоку трубы, а набор колес удлиняет прядь. Датчик силы, установленный на одном из колес, измеряет результирующую силу растяжения. Из-за предварительного сдвига, возникающего при транспортировке жидкости через входную трубку, трудно получить истинную вязкость при растяжении. Однако Rheotens полезен для сравнения свойств потока при растяжении гомологичного набора материалов.
CaBER представляет собой реометр капиллярного разрушения . Небольшое количество материала помещается между пластинами, которые быстро растягиваются до фиксированного уровня деформации. Диаметр средней точки контролируется как функция времени, поскольку нить жидкости сужается и разрушается под действием объединенных сил поверхностного натяжения, силы тяжести и вязкоупругости. Вязкость при растяжении можно извлечь из данных как функцию деформации и скорости деформации. Эта система полезна для жидкостей с низкой вязкостью, чернил, красок, клеев и биологических жидкостей.
FiSER (реометр растяжения с растяжением нити) основан на работах Шридхара и др. и Анна и др. [11] В этом приборе набор линейных двигателей раздвигает нить жидкости с экспоненциально возрастающей скоростью, одновременно измеряя силу и диаметр как функцию времени и положения. Деформируя с экспоненциально возрастающей скоростью, можно достичь постоянной скорости деформации в образцах (за исключением ограничений потока в концевой пластине). Эта система может контролировать вязкость при растяжении в зависимости от деформации, а также затухание напряжения после прекращения потока. Подробную презентацию о различных применениях реометрии с растяжением нити можно найти на веб-сайте MIT. [12]
Реометр растяжения Сентманата (SER) на самом деле представляет собой приспособление, которое можно устанавливать на сдвиговых реометрах в полевых условиях. Пленка полимера наматывается на два вращающихся барабана, которые прикладывают к полимерной пленке деформацию растяжения с постоянной или переменной скоростью деформации. Напряжение определяется по крутящему моменту, оказываемому барабанами.
В акустических реометрах используется пьезоэлектрический кристалл, который может легко запускать в жидкость последовательные волны растяжений и сокращений. Этот бесконтактный метод применяет колебательное растягивающее напряжение. Акустические реометры измеряют скорость звука и затухание ультразвука для набора частот мегагерцового диапазона. Скорость звука является мерой эластичности системы. Его можно преобразовать в сжимаемость жидкости. Затухание является мерой вязких свойств. Его можно преобразовать в вязкий продольный модуль. В случае ньютоновской жидкости затухание дает информацию об объемной вязкости. Этот тип реометра работает на гораздо более высоких частотах, чем другие. Он подходит для изучения эффектов с гораздо более коротким временем релаксации , чем любой другой реометр.
Упрощенная версия реометра с растяжением нити, реометр с падающей пластиной помещает жидкость между двумя твердыми поверхностями. Верхняя пластина зафиксирована, а нижняя падает под действием силы тяжести, вытягивая струну жидкости.
В других системах жидкость проходит через отверстие, расширяется из капилляра или всасывается с поверхности в колонку под действием вакуума. Капиллярный реометр под давлением можно использовать для термической обработки жидких пищевых продуктов. Этот прибор может помочь предотвратить чрезмерную или недостаточную обработку жидкой пищи, поскольку экстраполяция на высокие температуры не потребуется. [13]
