黏度測量時為什麼不能使用太低的剪切速率?

2021-02-24 黏彈測量技術及應用案例探討
有過測量經歷的人常常會注意到一個頗為怪異的現象：看上去非常稀薄、非常容易流動的樣品在低剪切速率區卻表現為黏度隨著剪切速率降低而升高。這是樣品的本來行為嗎？若是，為什麼明確為牛頓流體的樣品也會如此表現呢？我們知道，在執行黏度測量時，黏度(η)是由量測的應力(σ)除以施加的剪切速率(dγ/dt)得到的，那麼測試時可使用的剪切速率並不僅僅是由儀器所能施加的剪切速率範圍決定，還會由儀器所能量測的應力範圍決定。在旋轉流變儀上，應力(σ)由扭矩(M)結合夾具幾何特徵及尺寸換算得到，那麼儀器所能量測的應力範圍則由儀器的扭矩範圍和夾具的幾何尺寸共同決定。若使用的測量夾具系統給定，則儀器所能量測的應力範圍由儀器所能量測的扭矩範圍決定；反過來，若儀器給定，則可以通過選擇不同尺寸的夾具來擴展儀器的量測能力(請參閱前文「旋轉流變測量的夾具選擇」和「旋轉流變測量夾具的操作範圍」)。現在假定儀器和測量夾具都給定，則意味著該測量系統所能量測的應力範圍就給定了。既然旋轉流變儀所能量測的最小扭矩卻總是有限的，那麼其所能量測的最小應力也會存在下限。執行黏度測量時，量測的應力總是等於黏度與剪切速率的乘積，因此，無論是黏度不變而剪切速率減小還是剪切速率不變而黏度減小都會不可避免地導致量測的應力減小。當所量測的應力達到儀器的下限時，剪切速率繼續降低，此時「量測」的應力仍然為儀器的下限而保持不變，這種情況下就會觀察到隨著剪切速率繼續降低「黏度」反而表現出上升現象，這實際是測試造成的假象！也就是說，當量測到儀器的扭矩下限時，量測得到的黏度可能總是偏高的。對於給定直徑(D)的平行板測量系統，旋轉流變儀所量測的扭矩(M)與應力(σ)的換算關係為

如果某型號旋轉流變儀所能量測的最低扭矩為20 nN.m，那麼通過上述公式可知，使用直徑為40 mm的板所能量測的最小應力為1.59E-3 Pa。若某樣品的黏度為0.1 Pa.s，則所允許設置的最小剪切速率約為

也就是說，對於該樣品來說，原則上允許設置的最小的剪切速率為1.59×10-21/s。基於上述算法，不同黏度的樣品使用不同直徑的平行板測量系統所允許設置的最低剪切速率列於下表。

對於給定直徑(D)的錐板測量系統，旋轉流變儀所量測的扭矩(M)與應力(σ)的換算關係為

如果某型號旋轉流變儀所能量測的最低扭矩為20 nN.m，那麼通過上述公式可知，使用直徑為40 mm的板所能量測的最小應力為1.19E-3 Pa。若某樣品的黏度為0.1 Pa.s，則所允許設置的最小剪切速率約為

也就是說，對於該樣品來說，原則上允許設置的最小的剪切速率為1.19×10-21/s。基於上述算法，不同黏度的樣品使用不同直徑的錐板測量系統所允許設置的最低剪切速率列於下表。

可能不少讀者可能會疑惑：測量前樣品黏度並不知道怎麼進行上述估算，另外，樣品若為非牛頓流體又怎麼估算呢？實際上，上述預估只是用來粗略評估夾具和可以施加的最低剪切速率；而實際測量時，應該監控儀器實時量測的扭矩，當扭矩達到儀器所能量測的下限時，就意味著此時量測的結果已經不可靠不了……

相關焦點

  • 高剪切下的黏度變大一定意味著剪切增稠嗎?
    對於低黏度流體，測量時除了會出現前文所說的低剪切下黏度意外上升外，在高剪切區也常常會表現出黏度明顯上升的現象，這是不是意味著這類流體存在剪切增稠呢？
  • 塗料黏度的概念及測量方法
    二、與黏度有關的名詞概念 牛頓型與非牛頓型流體① 牛頓型流體如果在溫度一定的條件下，流體在剪切力作用下發生流動時，它的流動速率是隨外力的增加而成比例增加的，但它的黏度始終保持不變，這種流體稱為牛頓型流體。
  • 每日一問:注射速度越高,所產生的剪切速率越高,其相對黏度反而就越低說明什麼問題?
    將填充速度從10%逐漸遞增到99%時發現，「注射速度越高，所產生的剪切速率越高，其相對黏度反而就越低」，這其中說明一個什麼問題呢？ 分析：1.高速填充時兩液面之間的剪切率較高，塑料由於剪切變稀的作用而存在黏度下降的情形，使整體流動阻力降低，局部的粘滯加熱影響也會使固化層厚度變薄。因此在流動控制階段，填充行為往往取決於待填充的體積大小。即在流動控制階段，由於高速填充，熔體的剪切變稀效果往往很大，而薄壁的冷卻作用並不明顯，於是速率的效用佔了上風。
  • 測量熔體黏度快、狠、準,熔融指數儀怎麼用?
    聚酯的紡絲和注塑成型等加工是在熔融狀態下進行，對此，準確測量熔體的黏度對於確保加工質量至關重要。基於此，本文專門對一種可用於測量熔體黏度的設備——熔融指數儀的重要作用和基本測試原理進行了介紹。在紡絲的過程中，如果聚酯熔體的黏度偏低，噴絲板易沾板，並會導致切換成功率降低、成品絲的強度下降及染色性能不佳等一系列問題；而熔體黏度偏高，易造成熔體破裂，以及毛絲斷頭增多，伸長率下降，不勻率提高，吸色性能變差等後果。因此，準確地測量熔體黏度對聚酯的紡絲和注塑成型等加工至關重要。
  • 羥丙基甲基纖維素水溶液黏度特性
    、陶瓷、紡織、農業、醫藥、食品、化妝品等行業，在應用上羥丙基甲基纖維素最重要的性能之一是其增加液體黏稠度，增稠作用取決於產品在聚合度（DP）、水溶液中纖維素醚的濃度、剪切速率、溶液溫度等因素。研究結果表明非離子型纖維素醚溶液和離子型纖維素醚溶液都是假塑性流動，即非牛頓流動，只有在濃度非常低的時候，才接近於牛頓液體，羥丙基甲基纖維素溶液的假塑性在應用上具有重要的作用，如應用在塗料中，由於水溶液的剪切變稀特性，隨剪切速率增大，溶液黏度降低，有利於顏料顆粒的均勻分散，也使塗料流動性增加，對乳膠漆的刷光的作用很大，而在靜止時，溶液黏度較大，有效防止塗料中的顏料顆粒發生沉積。
  • 影響羥丙基甲基纖維素黏度的幾個因素
    影響羥丙基甲基纖維素黏性的幾個因素：一、纖維素醚的聚合度越高，其分子量越大，水溶液的黏度也就越高；二、纖維素醚的攝入量(或濃度)越高，其水溶液的黏度也越高，但在應用時需留意挑選適合的攝入量，避免攝入量過高，影響砂漿和混凝土的工作特性；三、與大多數液體相同，纖維素醚溶液的黏度會隨之溫度的上升而下降，並且纖維素醚濃度越高，溫度的影響越大；
  • 讓流掛現象安分的,是耐剪切纖維素增稠劑
    耐剪切纖維素增稠劑敢於面對慘澹的稠度，敢於面對廠家們火急火燎的態度。因為它能夠很好的改善乳膠塗料在施工輥塗時的飛濺、流掛、能夠給工人們帶來更便利的操作方式，能夠讓塗膜更均勻，顏色更飽滿。這樣的它，不就是你正在尋找的「真愛」嗎？你對它又了解多少呢？纖維素類增稠劑的增稠效率高，尤其是對水相的增稠。對塗料的限制少，應用廣泛、可使用的pH範圍廣。
  • 瀝青黏度你知道有幾種測定方法嗎?
    液體粘度由於分子引力所致，當液體流動時，快層的分子力圖拉的慢層的分子前進，而慢層的則儘量的將快層分子往後拽。流體分子間的這些相互作用使得運動得以逐層傳遞，並保持著層間的速度差，呈現流體的黏性。根據對黏度的表達意義、測量方法的不同，可以分為以下幾種。
  • 注塑機資訊 | 注塑機射速設置關鍵所在於,速度、時間、速率
    注塑機射速設置心得1、注塑射速設置原則請記牢注射速度設定的基本原則是配合塑料在模穴內流動時，按其流動所形成的斷面大小來升降，並且遵循慢→快→慢的順序和儘量快(確認外觀有無瑕疵)的原則。2、質量保障是前提一般在不引起副作用的前提下，儘量使用高速充模，以保證塑件熔接強度及表觀質量，而相對低的壓力也使塑件內應力減小，提高了強度。3、縮水缺陷可避免採用高壓低速進料的情況可使流速平穩，剪切速率小，塑件尺寸穩定，避免縮水缺陷。
  • ...在汽車塗裝線輸調漆系統的應用-輸調漆,水性塗料,低剪切-表面...
    傳統的碳鋼泵不能採用，管路考慮SUS304及以上型材，國內大部分水性塗料廠家應用不鏽鋼304、304L，部分新建塗裝線有採用SUS316。    (1)配管中不能使用不同種類的金屬材質，防止不同材質產生的電位差帶來的電蝕。    (2)避免攪拌器在塗料攪拌過程中的漩渦引起空氣進入流體及產生分層現象。
  • 滄州熔體流動速率測定儀的具體試驗步驟
    滄州熔體流動速率測定儀的具體試驗步驟 ,「yod7328q」 滄州熔體流動速率測定儀的具體試驗步驟液晶顯示，應用電子測控技術顯示力值、伸長及拉斷試樣的時間。在正常使用條件下其示值誤差校驗一次的有效期為一年。拉力試驗機夾具的持試樣的基本要求是，緊不打滑，完成整個拉伸試驗過程。
  • 塗料黏度的不同測定方法
    塗料在外力作用下，作層流運動時，在其相鄰兩層分子間產生內摩擦力，使塗料產生運動阻力，這一特性稱為流體的黏度，黏度又分為動力黏度、運動黏度和條件黏度。本文主要針對試驗室中不同試驗要求，對不同體系的塗料，使用不同的試驗方法進行黏度比較和分析。
  • 西北工大發表頂刊綜述：金屬材料在高應變速率下的剪切局部化
    主要有三個因素決定絕熱剪切局部化:應變硬化(或軟化)，應變速率硬化和熱軟化。它通常與大剪切應變(>1)、高應變速率(103-107 s-1)和高溫(熔點的40-100%)有關，這些都發生在寬度約為1-200 μm的狹窄區域內。剪切局部化會導致材料失效，但在某些情況下，它是可取的。在恆定溫度下，應力隨應變的減小是由熱軟化和由塑性應變產生的熱量所決定的。這些帶是失效的前兆，他們的研究被廣泛進行。
  • 不同組分配比對剪切增稠拋光流體流變性能的影響
    由於在使用STF進行拋光時，STF的性能會直接影響工件加工的表面質量和效率，因此STF的製備是剪切增稠拋光技術的關鍵因素之一。山磊等製備了4種分散介質的STF，發現高粘度的分散介質可以提高分散相的整體剛度，增強剪切增稠效果；Lyu B.H.等通過流變特性測試得出，在較小的分散顆粒粒徑和相對較高的濃度下，STF的剪切增稠效果較好，而氧化鋁和金剛石等磨粒的加入對流變特性影響較小。
  • 潤滑油技術指標及意義—黏度
    本期內容，由微信公眾號22點伴（微信號：b22dian）冠名推出查詢地煉報價請直接在公眾號中輸入「掛牌價格」‍黏度指液體受外力作用移動時黏度是保證柴油霧化、噴油距離和擴散度及高壓油泵與噴嘴柱塞副潤滑要求的指標。作為液體流動阻力的一個量度。通常用記錄在一定溫度下，一定體積的燃料流過標準尺度小孔的時間來測定。表示黏度的方法通常有運動黏度、動力黏度，還有目前少用的恩氏黏度、賽氏黏度和雷氏黏度等。
  • 潤滑油檢測與監測指標解讀—黏度、酸值
    潤滑油在使用過程中，由於其具有良好的潤滑減摩、冷卻降溫、密封、清淨分散、防鏽防腐、減震緩衝等作用，潤滑油不僅可以保證機械設備在高負荷或高速條件下運轉，更可以延長設備使用的壽命。對在用油的理化指標進行有針對性的分析，如黏度、酸值、水分、磨粒分析、顆粒汙染、漆膜傾向等，可以通過在用油的性能變化，掌握設備的的運行狀態，為設備潤滑制定合理的配套解決方案。
  • 《離心泵名詞術語》—運動黏度性能術語
    2、動力黏度 dynamic viscosity液體層相互滑動的剪應力與剪切速度變化率的比值。用式（13）表示：式中：動力粘度，單位為帕秒（Pa·s）剪應力，單位為帕（Pa）；剪切速度變化率，單位為每秒（1/s）3、運動黏度 Kinematic viscosity動力黏度與輸送液體密度的比值。