Войти
| Часть серии по | |||||||
| Механика сплошной среды | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
Законы
| |||||||
| Механика твердого тела | |||||||
Гидравлическая механика
| |||||||
Реология
| |||||||
| Ученые | |||||||
|
Ротационный реометр, используемый в исследовательской лаборатории Реометр является лабораторным устройством, используемым для измерения способа, в котором жидкость, суспензия или взвесь течет в ответ на приложенные силы. Он используется для тех жидкостей, которые не могут быть определены одним значением вязкости и поэтому требуют установки и измерения большего количества параметров, чем в случае с вискозиметром. Он измеряет реологию жидкости.
Есть два совершенно разных типа реометров. Реометры, которые контролируют приложенное напряжение сдвига или деформацию сдвига, называются реометрами вращения или сдвига, тогда как реометры, которые прикладывают напряжение растяжения или деформацию растяжения, являются реометрами растяжения. Реометры вращательного или сдвигового типа обычно проектируются либо как собственный инструмент с контролируемой деформацией (контроль и применение заданной пользователем деформации сдвига, которая затем может измерять результирующее напряжение сдвига), либо как собственный инструмент с контролируемым напряжением (управление и применение определяемого пользователем напряжение сдвига и измерьте результирующую деформацию сдвига).
Слово реометр происходит от греческого и означает устройство для измерения основного потока. В 19 веке он обычно использовался для устройств для измерения электрического тока, пока это слово не было заменено гальванометром и амперметром. Он также использовался для измерения расхода жидкостей в медицинской практике (поток крови) и в гражданском строительстве (поток воды). Это последнее использование сохранилось до второй половины 20 века в некоторых областях. После появления термина реология это слово стало применяться к приборам для измерения характера, а не количества потока, а другие значения устарели. (Основной источник: Oxford English Dictionary ) Принцип и работа реометров описаны в нескольких текстах.
Различные плоскости сдвига, которые можно использовать для измерения реологических свойств. Слева - поток тормозной пластины Куэтта; цилиндрический поток; Течение Пуазейля в трубке и потоке пластины-пластины. В зависимости от их геометрии можно определить четыре основные плоскости сдвига.
Затем различные типы реометров сдвига используют одну или комбинацию этих геометрических форм.
Одним из примеров реометра линейного сдвига является линейный реометр для кожи Goodyear, который используется для тестирования составов косметических кремов и в медицинских исследовательских целях для количественной оценки упругих свойств тканей. Устройство работает путем прикрепления линейного зонда к поверхности исследуемой ткани, к нему прикладывается контролируемая циклическая сила, а результирующая сила сдвига измеряется с помощью датчика нагрузки. Смещение измеряется с помощью LVDT. Таким образом, основные параметры напряжения и деформации фиксируются и анализируются для определения динамической жесткости пружины исследуемой ткани.
Жидкость нагнетается через трубку постоянного поперечного сечения и точно известных размеров в условиях ламинарного потока. Либо расход, либо падение давления фиксируются, а другое измеряется. Зная размеры, расход 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, микрофлюидный реометр со встроенными датчиками давления может использоваться для измерения падения давления при контролируемой скорости потока.
Капиллярные реометры особенно полезны для характеристики терапевтических белковых растворов, так как они определяют возможность спринцевания. Кроме того, существует обратная зависимость между реометрией и стабильностью раствора, а также термодинамическими взаимодействиями.
Геометрия вращения различных типов реометров сдвига Динамический сдвиг реометр, широко известный как DSR используется для научных исследований и разработок, а также для контроля качества в производстве широкого спектра материалов. Реометры динамического сдвига использовались с 1993 года, когда Superpave использовался для определения характеристик и понимания высокотемпературных реологических свойств асфальтовых вяжущих как в расплавленном, так и в твердом состоянии, и является основополагающим для определения химического состава и прогнозирования характеристик конечного использования этих материалов.
Жидкость помещается в кольцевое пространство одного цилиндра внутри другого. Один из цилиндров вращается с заданной скоростью. Это определяет скорость сдвига внутри затрубного пространства. Жидкость имеет тенденцию увлекать другой цилиндр по кругу, и измеряется сила, которую она оказывает на эти цилиндры ( крутящий момент ), которая может быть преобразована 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 пластиковую модель Бингема, которая раньше широко использовалась в нефтяной промышленности для определения характера потока буровых растворов. В последние годы использовались реометры со скоростью вращения 600, 300, 200, 100, 6 и 3 об / мин. Это позволяет использовать более сложные модели жидкости, такие как модели Гершеля – Балкли. Некоторые модели позволяют непрерывно увеличивать и уменьшать скорость запрограммированным образом, что позволяет измерять свойства, зависящие от времени.
Жидкость помещается на горизонтальную тарелку и помещается 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 пластина вращается и измеряется крутящий момент на конусе. Хорошо известной версией этого прибора является реогониометр Вайссенберга, в котором движению конуса препятствует вращающийся тонкий кусок металла, известный как торсион. Известная реакция торсионного стержня и степень скручивания дают напряжение сдвига, в то время как скорость вращения и размеры конуса дают скорость сдвига. В принципе, реогониометр Вайссенберга - это абсолютный метод измерения, если он точно настроен. Другие инструменты, 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.
Разработка реометров растяжения шла медленнее, чем реометров сдвига, из-за проблем, связанных с созданием однородного протяженного потока. Во-первых, взаимодействие испытательной жидкости или расплава с твердыми поверхностями раздела приведет к возникновению сдвигового потока, который ухудшит результаты. Во-вторых, необходимо контролировать и знать историю деформации всех материальных элементов. В-третьих, скорости деформации и уровни деформации должны быть достаточно высокими, чтобы растягивать полимерные цепи за пределы их нормального радиуса вращения, что требует оборудования с большим диапазоном скоростей деформации и большим расстоянием перемещения.
Коммерчески доступные реометры растяжения были разделены в соответствии с их применимостью 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 противоположной струей или систем сужающегося потока. Материалы с диапазоном вязкости примерно от 1 до 1000 Па с. используются в реометрах натяжения нити. Для материалов с высокой вязкостьюgt; 1000 Па с, таких как расплавы полимеров, лучше всего подходят устройства постоянной длины.
Реометрия растяжения обычно выполняется на материалах, которые подвергаются деформации растяжения. Этот тип деформации может происходить во время обработки, такой как литье под давлением, прядение волокна, экструзия, выдувное формование и нанесение покрытий. Это также может происходить во время использования, например, при отщеплении клея, перекачивании мыла для рук и работе с жидкими пищевыми продуктами.
Список имеющихся в настоящее время и ранее продаваемых на рынке реометров растяжения представлен в таблице ниже.
| Название инструмента | Диапазон вязкости [Па.с] | Тип потока | Производитель | |
|---|---|---|---|---|
| В настоящее время продается | Rheotens | gt; 100 | Прядение волокна | Goettfert |
| КАБЕР | 0,01-10 | Капиллярный разрыв | Thermo Scientific | |
| Реометр смещения Sentmanat | gt; 10000 | Постоянная длина | Инструменты Xpansion | |
| FiSER | 1–1000 | Растяжение нити | Cambridge Polymer Group | |
| ВАДЕР | gt; 100 | Контролируемое растяжение нити | Рео Нить | |
| Ранее продавалось | RFX | 0,01-1 | Противоположная струя | Реометрический научный |
| RME | gt; 10000 | Постоянная длина | Реометрический научный | |
| MXR2 | gt; 10000 | Постоянная длина | Магна Проекты |
Rheotens - это реометр для прядения волокон, подходящий для расплавов полимеров. Материал перекачивается из трубы, расположенной выше по потоку, а набор колес удлиняет нить. Датчик силы, установленный на одном из колес, измеряет результирующую силу растяжения. Из-за предварительного сдвига, возникающего при транспортировке жидкости через трубу, расположенную выше по потоку, трудно получить истинную вязкость при растяжении. Однако Rheotens полезен для сравнения свойств текучести при растяжении гомологичного набора материалов.
CaBER - это реометр разрыва капилляров. Между пластинами помещается небольшое количество материала, которые быстро растягиваются до фиксированного уровня деформации. Диаметр средней точки контролируется как функция времени, поскольку филамент сужается и разрушается под действием комбинированных сил поверхностного натяжения, силы тяжести и вязкоупругости. Вязкость при растяжении может быть извлечена из данных как функция деформации и скорости деформации. Эта система полезна для жидкостей с низкой вязкостью, чернил, красок, клеев и биологических жидкостей.
FiSER (реометр растяжения нити) основан на работах Sridhar et al. и Анна и др. В этом приборе набор линейных двигателей раздвигает филамент с экспоненциально увеличивающейся скоростью, одновременно измеряя силу и диаметр как функцию времени и положения. Путем деформации с экспоненциально увеличивающейся скоростью в образцах может быть достигнута постоянная скорость деформации (исключая ограничения потока на торцевой пластине). Эта система может отслеживать зависящую от деформации вязкость при растяжении, а также уменьшение напряжения после прекращения потока. Подробную презентацию о различных применениях реометрии растяжения волокна можно найти на веб-сайте MIT.
Реометр расширения Sentmanat (SER) на самом деле представляет собой приспособление, которое может быть установлено в полевых условиях на реометрах сдвига. Пленка полимера наматывается на два вращающихся барабана, которые прикладывают к полимерной пленке деформацию растяжения с постоянной или переменной скоростью деформации. Напряжение определяется крутящим моментом, создаваемым барабанами.
Акустические реометры используют пьезоэлектрический кристалл, который может легко запустить в жидкость последовательную волну расширений и сокращений. В этом бесконтактном методе применяется осциллирующее напряжение растяжения. Акустические реометры измеряют скорость звука и затухание ультразвука для набора частот в мегагерцовом диапазоне. Скорость звука является мерой эластичности системы. Его можно преобразовать в сжимаемость жидкости. Затухание - это мера 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.
Более простая версия реометра натяжения нити, реометр с падающей пластиной помещает жидкость между двумя твердыми поверхностями. Верхняя пластина закреплена, а нижняя пластина падает под действием силы тяжести, вытягивая струну жидкости.
В других системах жидкость проходит через отверстие, расширяется из капилляра или всасывается с поверхности в столб под действием вакуума. Капиллярный реометр под давлением может использоваться для тепловой обработки жидких пищевых продуктов. Эти инструменты могут помочь предотвратить чрезмерную или недостаточную обработку жидкой пищи, поскольку экстраполяция на высокие температуры не требуется.
