为何要做有关流变的测量（二)

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美国BROOKFIELD粘度计/流变仪销售中心
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技术资料

为何要做有关流变的测量（二)

上传时间：2007年2月5日　点击：1433次
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2.1 装备概要这个章节的主要目的是提供本公司黏度计即其相关设备的概要观念，并且对一些常见的黏度问题提出一些解决办法以供参考用。这些信息相信对人们于使用本公司的黏度仪器上能够有相当的帮助。我们已经将仪器装备相关的资料做了有系统的编排，希望能够帮助您更快的找到您需要的部分： 2.1.1黏度计(Viscometers) 2.1.2转子型态(Spindle Geometries) 2.1.3温度控制(Temperature Control) 2.1.4小体积样品(Small Sample Volume) 2.1.5低黏度状态(Low Viscosity) 2.1.6高温状态(High Temperature) 2.1.7定义剪率值(Defined Shear Rate) 2.1.8高剪率状态(Hugh Shear Rate) 2.1.9不易流动的样品(Non-Flowing Sample Materials) 2.1.10特定配件选项(Special Accessory Items) 2.1.11危害仪器的环境(Fumes and Hazardous Locations) 2.1.12过程控制(Process Control) 2.1.1黏度计(Viscometers) Brookfield实验室黏度计有分为三种基本样式：模拟指针式、数字式以及可程控式。这三种主要明显的差异是在其黏度读数的显示。模拟读数读取的主要是旋转刻度与指针的相关位置；数字读数读取的主要是观察3-digit LED 的显示。另外，数字的黏度计拥有一个0-10mv的输出，它可以连接于许多种的仪器装置，如远程的显示器、控制器和记录器。在许多方面，模拟式与数字式的黏度计功能上十分的相像。而两种的操作流程在本质上也很类似，并有着相同的配件且在本公司的许多规格中也是可以互相代换的。模拟式的是本公司黏度计中价钱比较低廉的，它较适合用在短时间黏度的量测而对长时间的流变行为细部量测较不适用。这是因为当转子持续转动时，数值只能间歇性的读到，也就是必须当指真经过某一特定区域或是停止黏度计或是当状态稳定才能读到读数。另外长时间的测量需要付出较多的心力，而有些屏幕上一些变化迅速的过程也需要比较注意。而数字式的黏度计拥有连续式的感应器及记录输出端，它对于长时间的追踪是比较适合的。它在操作长时间的黏度量测上比较轻松，并且可以调整记录数据的时间，对于流变行为改变迅速的流体也较适合。另外，许多的操作者较喜欢使用数字式的，因为不需要在数据中做一些差补的动作。但是此种形式的黏度计不能在使用期间予以手动做一些修改或量测，而模拟式则是可以的。以上这两种形式黏度计在量测上都能够提供相当的准确度。标准的转子或是cone/plate的型态在本公司的黏度计中都有所提供。有关详细的几何型态可以参照2.1.8节，有相关资料予以叙述。另外，一组模拟式的黏度计是无法转变成数字式的，也没有连接记录器、计算机或是打印机输出的功能。我们提供许多种标准的黏度计，它们都拥有不同的模式、范围，如各种的物理上的修正、不同的转子速度与张力扭力。请与我们商量您的详细需求，让我们来提供给您。 2.1.2转子型态(Spindle Geometries) 本公司的黏度计都会提供您最适合的转子，来搭配购买的仪器以达到最好的使用范围及应用。然而这些转子都有其特殊的型态，目的是为了能够提供一最适的结果给您。本公司有提供多样的转子与配件以满足使用者的需求；在此节我们都有列出。本公司的黏度计材质上采用的是300系列的不锈钢材，因此在一般操作情况下都不用予以维修，有些更进一步的覆上一层抗腐蚀材质。若您在应用上较不同，需要较特殊的转子的话，欢迎您向本公司洽询。盘状转子几种标准的转子型号如下LV系列(转子＃2和＃3)和RV/HA/HB系列(转子＃1到＃6)，这几组是比较常用的，并且使用于容量600ml或以上的样品槽中。转子的制造是相当精准的，并且在不同流体中都做过黏度数据再现性的测试。这些结果并可经由Technical Paper AR-82中的数学程序加以转换成黏度的函数。2.1.7节中有转子几何型态直接对应剪率的相关资料。圆柱状转子这类转子(LV＃1和＃4 RV/HA/HB＃7)拥有固定的型态，不仅对黏度，也可以计算剪率与剪力的数值。这类转子的其它方面的参数和前面的盘状转子大致上相似。由于在几何设计上的优势，再加上数学分析这类转子对于非牛顿流体的测量相当的有价值。这类转子在本公司各种黏度计的模式都可以应用，但必须挑选适当的范围。另外圆柱型转子中相当于盘状型号LV＃2和＃3的转子本公司也有提供。2.1.7节有剪率几何方面的相关资料。共轴圆柱共轴圆柱的几何构造可用来得到较好剪率及剪力的数值，特别是在当样品体积非常小的时候。下述几种是本公司仪器采用此几何构造的配件，它们在特殊情况下都拥有其个别的优点。这些装备配件有：Small Sample Adapter(2.1.4节)、UL Adapter(2.1.5节)、Thermosel(2.1.6节)和DIN Adapter(2.1.4节)。圆锥/平板（Cone/Plate）几何构造 Cone/plate 的几何构造不但提供了绝对的黏度值，另外也能让使用者轻易的得到准确的剪力及剪率值。它所需的样品体积小，并且也设计了可控温的结构；另外它的构造也特别适合用来研究分析非牛顿流体的流变行为。这一装置包含在Wells-Brookfield Cone/Plate Viscometer里面(2.1.8节中包含有更多的相关资料)。 T型转子通常和Helipath Stand配件相连接，它通常被拿来测量低流动性的或是不流动的物质，如糊状物、胶体或是乳脂状物(见2.1.9节)。 2.1.3温度控制(Temperature Control) 在黏度的测量中为了确保实验的准确性与再现性，我们常常在实验中加上了温度的控制。而也因此本公司的仪器具有下列的系统：控温槽在大多数的黏度测量应用上，使用恒温槽来控温是相当合适的。其中有两种形式：循环式通常以包覆仪器的方式使用，如Wells-Brookfield Cone/Plate Viscometer(2.1.8节)和Small Sample Adapter(2.1.5节)；和水槽/循环，这种适用于各种仪器的应用，将样品容器沈浸在水槽中以达到控温的效果。不过控温槽有一个操作的温度限制，大约在120℃左右(和槽内使用的液体有关)，且通常还需要一辅助装置，以供当所需温度在室温以下时使用。我们也提供冷却的设备。如果您需要更多资料，可跟本公司洽询。高温测量系统(Thermosel System) 这个系统是为了少量样品，且在温度介于40到300℃的测量所设计。它和一般的控温系统不同，它并不以流体为控温的介质。在2.1.6节有更多的资料。 2.1.4小体积样品槽 (Small sample Volume) 大部分本公司样品槽的标准规格是个约600毫升的Griffin杯。而很多的使用者认为一个小体积的样品槽是非常必要的，因此现在本公司的产品提供了几种小体积的样品槽。微量样品接头（Small Sample Adapter）我们使用了特殊的设计来提供一个小体积的样品槽，这个小体积的样品槽是个夹套式与同轴圆柱型的配备，除了cone/plate型以外，它和本公司其它的黏度计都是可以兼容的。它所需的样品体积，依模式的不同，其范围在2.0到16.0毫升。另外依使用模式的不同，所能测得的黏度范围从5 cp到10,000,000 cp，而剪率是从0.066到93.0 1/秒。另外Small Sample Adapter的夹套设计也可以与循环式的控温槽相接，最高约可达到100℃下的恒温状态。超低黏度接头（UL Adapter） UL Adapter主要适用在比一般量测范围更低的黏度来量测。当与可动的end cap搭配使用时，其样品体积需要量为16.0毫升。在2.1.5节有提供较多的资料。 DIN Adapter DIN Adapter与UL Adapter一样，是与特别的黏度计搭配使用，来对黏度范围较一般测量低时做量测用。它的测量范围在1 cp到50,000 cp与DIN 53019相符。高温测量系统(Thermosel System) Thermosel系统可量测温度控制在300℃下的黏度。与同轴圆柱型态转子搭配使用下，样品体积介于8.0到13.0毫升间(和所用转子相关)。详情参照2.1.6节。 Wells-Brookfield Cone/Plate & CAP黏度计当样品体积被限制住的时候，我们往往使用Wells-Brookfield Cone/Plate黏度计，因为其所需样品量在0.5到2.0毫升间。相关资料在2.1.8节有所论述。 CAP黏度计所需样品量＜1毫升。在2.1.8节有详细的介绍。 2.1.5低黏度状态(Low Viscosity) 每一个Brookfield的黏度计都提供了相当宽广的黏度量测范围，但偶尔还是会有某些状况下，必须做仪器范围外的量测。有几项本公司的配件提供这些范围外的服务：超低黏度接头(UL Adapter) 这个配件的设计明显地替LV系列的黏度计提供了较低黏度量测的敏感度；它可以被使用于除了cone/plate型外之本公司的黏度计。当装配在LVF或LVT黏度计上时，UL Adapter提供了1.0到10.0 cp的量测范围与转速60rpm下的剪率73.4 1/秒。而其它种类的黏度计与UL Adapter搭配下所能测量的最低黏度如下：RVT，6.4 cp；HAT，12.8 cp；HBT，51.2 cp。UL Adapter的型态为一共轴圆柱并在外层圆柱加上一可动式PE末端帽。再加上此末端帽的条件下，其样品量测体积为16.0毫升，且可在一空温槽下控温到最高100℃；若除去此末端帽，则此Adapter将可适用于任何的样品槽。微量样品接头在一些转子/样品槽的搭配下，Small Sample Adapter有机会量测到比一般范围要低一点的黏度值。详细的应用测量的范围请参照表，若想了解更加详细，可在2.1.4节找到资料。高温测量系统与特定的转子搭配，Thermosel系统可提供低黏度的一个较高的敏感度；想知道更多的资料可以参考应用范围表，而此系统在2.1.6节有更详细的讨论。 Wells-Brookfield Cone/Plate黏度计 Wells-Brookfield Cone/Plate黏度计对低黏度的量测可以到达0.1 cp。2.1.8节对此仪器有有论述。 2.1.6高温状态(High Temperature) 在高温下的黏度量测可简可繁，主要视样品种类与温度而决定。有时最重要的地方是在控制黏度计与样品间的距离来增加转子的使用范围(2.1.10节)。另外有些困难的应用，如熔融态玻璃的测量，需要特制的熔炉及坩埚，当然此时黏度计的配件也需要有耐高温的抵抗能力(若您有需要可与本公司联络洽询)。由前述的特例可知，本公司的仪器也可于高温下做黏度测量。高温测量系统（Thermosel）此系统专为温度范围介于25到300℃下之小体积样品的黏度测量所特别设计。它通常被包装成一完整的仪器装置出售(包含黏度计)，当然也可以加装在您既有的黏度计上(除了cone/plate型以外)。除了黏度计以外，此系统尚包含了一同轴圆柱状转子与样品室，还有与RTD感应器搭配之数字模拟温控系统。Thermosel系统可有三种不同的变化：系统一是模拟型黏度计搭配手动装置；系统二包含了数字型黏度计与温度黏度记录的输出端；系统三是在系统二之外加了一组可作程序编辑流程的温度控制系统。 Thermosel系统需要的是小体积的样品(8.0到13.0毫升，依转子而定)，并且其共轴圆柱型的转子提供其范围为0.08到93.0 1/秒的剪率，其数值和转子及黏度计种类有关。控温槽 Brookfield 控温槽也可以适用于高温黏度测量。一般最高限制温度为120℃。至于更多相关信息请见2.1.2节。 2.1.7 定义剪率值(Defined Shear Rate) 由于在应用上黏度的数据必须精确表示，所以必须考虑转子的形状，这样剪率以及剪力才有办法计算出来。这些内定参数可以从以下Brookfield的仪器与附件上找出。请从参考资料查阅更多有关下列产品的信息：圆柱转子 2.1.2 UL接头 2.1.5 DIN接头 2.1.4 小样品接头 2.1.4 Thermosel系统 2.1.6 Brookfield Cone/Plate黏度计 2.1.8 CAP黏度计 2.1.8 2.1.8 高剪率状态(High Shear Rate) Brookfield黏度计原先被设计在低黏度测量上。大部分的转子可以测量的剪率皆低于100 (1/s)。配合UL接头可以到达300 (1/s)的剪率(2.1.5节)，或者使用小样品接头(2.1.4节)，或者使用部份Thermosel系统(2.1.6节)。当剪率超过300 (1/s)，就必须使用Brookfield Cone/Plate黏度计、CAP黏度计或是PVS流变计。 Brookfield Cone/Plate 黏度计 Brookfield Cone/Plate黏度计可以在内定的剪率与剪力的范围内测量小样品的精确黏度。由于转子的设计，只需要0.5-2.0 mL的样品并且剪率的范围可在0.6-1500 (1/s)之间(视黏度计型号与转子而定)。样品槽也有精确的温度控制。借着不同型号的黏度计与转子，Brookfield Cone/Plate黏度计可以测量0.5 cp到150万cp的黏度(虽然没有单一的机型可以全部涵盖这个范围，但是使用数个不同的转子即可达到这个范围)。 Brookfield Cone/Plate黏度计可以同时使用仪表操控与数字化模式。亦可选择使用(推荐使用)恒温水槽以获得精确与良好再现性的数据。这个Cone/Plate转子是专门为Brookfield Cone/Plate黏度计所设计的，并不能使用在其它的机型上。但是使用标准的转子在Brookfield Cone/Plate黏度计上是有可能的。 CAP 黏度计 Brookfield Cone/Plate黏度计中的CAP系列的黏度计由于可以提供高剪率与不同速率的测量，因此被广泛应用在涂布、覆膜、树脂、油墨、化妆品、制药与食品的研究发展与品质控制上。这一系列的黏度计可以在高剪率下操作并提供精确的温度控制，此外所需样品体积都小于1mL。 CAP系列，包括CAP1000与CAP-2000型黏度计，会对转子间隙与黏度范围自动校正。CAP1000型固定单一转速在750 RPM于50 Hz与900 RPM于60 Hz，而剪率在60 Hz时可以是12000 (1/s)或3000 (1/s)，在50 Hz时可以是10000 (1/s)或2500 (1/s)。借着使用不同的转子，黏度范围可由0.25 Poise 至100 Poise。 CAP2000型可以调整不同的转速由50至2000 RPM，而剪率范围在166至26600 (1/s)之间，黏度范围由0.1至1500 Poise。CAP1000与CAP2000机型的误差范围都在±2%之内，并且符合BS3900， ISO 2884，与ASTM D-4287标准。 PVS 流变计 Brookfield PVS流变计可以测量在高温与高压下样品的黏度。可使用的压力范围高达1000 psi 而温度范围在-40℃到200℃。因此很适合做油类、气体、泥浆、纸浆、塑料、石油与气胶等研究。 2.1.9不易流动的样品(Non-Flowing Sample Materials) 不易流动或流动缓慢的流体，　例如浆糊、乳霜与胶体，在黏度的测量上有很多问题。一般的转子往往会 channel(即把样品都挤到同一个地方），而造成测量到的黏度越来越低的现象。使用Helipath Stand这个配件可以消除这个问题。非流动流体测试台配件 Helipath Stand是可以装备在Brookfield黏度计上的一种机械装置。当一个特制的T型转子在样品中转动时，它可以缓慢地升高和降低黏度计(以每分钟7/8-inch的速率)。于是转子会持续地如螺旋般搅拌样品，并且避免``channeling""效应发生，因此可以测得一个有意义的黏度/浓度值。Helipath Stand配件还包括了六个T型转子。螺旋接头（Sprial Adapter） Brookfield Sprial Adapter是一种泵式传感器，可以应用在焊膏，食品，化妆品，制药的研究上。Spiral Adapter是由一个有螺纹的转子与一个在外面的同心圆柱所组成。样品可以被持续地经由 Spiral Adapter输送，当达到稳定时，即可测量出黏度。比起其它种测量方式，这种稳定态的测量对于样品制备方式与样品中的微量成份较不敏感。 2.1.10特定配件选项(Special Accessory Items) 可以购买下列设备配合Brookfield黏度计/流变计使用。 Quickconnect 这个配件可以帮助我们快速的安装或移除转子以节省时间与步骤。它是由无应力钢所制成，并且可以与T型转子， LV， RV/HA/HA转子配合使用。 Spindle Extensions 这个配件是应用在当样品必须与黏度计分开一段距离时(最远6feet)，D型延伸器是装在黏度计与转子之间，在转子浸没深度可以观察到时使用。而S型延伸器包含了可以沉浸的部份，使用于转子浸没深度无法观察到时。 Purge Fitting 我们可以使用purgefitting将低压的惰性气体通至黏度计样品槽中，并使内部呈现较大的压力以避免其水汽或其它气体的进入。Purgefitting也可以使用在 Brookfield Cone/Plate黏度计与Thermosel系统上，藉以控制测量样品时的气氛。水银开关 (仅指针式黏度计适用) 在样品有潜在爆炸或燃烧的顾虑时，必须避免任何火花的产生。因为 Brookfield黏度计使用无电刷马达，因此系统中唯一可能产生火花的装置为电源开关。使用水银开关是一种便宜的方式可以避免火花产生而使系统无爆炸的顾虑。然而必须注意其它可能产生火花的地方例如电线、插头等，请做好适当的处置。水银开关仅适合指针式黏度计使用。防爆装置(仅指针式黏度计适用) 当由于有易燃气体存在和其它因素使得爆炸的顾虑提高时，就必须使用防爆装置。Brookfield指针式黏度计(除了Cone/Plate型)可以使用Underwriters" Laboratory(UL)提供的防爆装置。这个装置可以在Class I， Group D危害环境下使用。数字式黏度计与流变计并无法使用这个防爆装置。电子操控式的Brookfield配件，例如Helipath Stand与Thermosel系统等，也无法使用防爆装置。不过可以使用防爆黏度计(可能需要一些特殊的配件)，但只能在无危害的环境下使用。 2.1.11 危害仪器的环境(Fumes and Hazardous Locations) 当环境中有蒸气或烟雾时，必须注意防止这些气体进入黏度计。当这些气体或烟雾具有爆炸性时，必须做一些预防措施以保护人员安全与机器。之前的几节有一些这类防护装置的概论。 2.1.12过程控制(Process Control) 在实际的应用上，常常必须结合线上程序黏度计与黏度控制器。Brookfield公司有一系列完整的程控应用程序，请与Brookfield Engineering Laboratories联络以获得更进一步的信息。