為何要做有關(guān)流變的測量（二)

2.1 裝備概要 這個章節(jié)的主要目的是提供本公司黏度計即其相關(guān)設(shè)備的概要觀念，并且對一些常見的黏度問題提出一些解決辦法以供參考用。這些信息相信對人們于使用本公司的黏度儀器上能夠有相當(dāng)?shù)膸椭?我們已經(jīng)將儀器裝備相關(guān)的資料做了有系統(tǒng)的編排，希望能夠幫助您更快的找到您需要的部分： 2.1.1黏度計(Viscometers) 2.1.2轉(zhuǎn)子型態(tài)(Spindle Geometries) 2.1.3溫度控制(Temperature Control) 2.1.4小體積樣品(Small Sample Volume) 2.1.5低黏度狀態(tài)(Low Viscosity) 2.1.6高溫狀態(tài)(High Temperature) 2.1.7定義剪率值(Defined Shear Rate) 2.1.8高剪率狀態(tài)(Hugh Shear Rate) 2.1.9不易流動的樣品(Non-Flowing Sample Materials) 2.1.10特定配件選項(Special Accessory Items) 2.1.11危害儀器的環(huán)境(Fumes and Hazardous Locations) 2.1.12過程控制(Process Control) 2.1.1黏度計(Viscometers) Brookfield實驗室黏度計有分為三種基本樣式：模擬指針式、數(shù)字式以及可程控式。這三種主要明顯的差異是在其黏度讀數(shù)的顯示。模擬讀數(shù)讀取的主要是旋轉(zhuǎn)刻度與指針的相關(guān)位置；數(shù)字讀數(shù)讀取的主要是觀察3-digit LED 的顯示。另外，數(shù)字的黏度計擁有一個0-10mv的輸出，它可以連接于許多種的儀器裝置，如遠程的顯示器、控制器和記錄器。 在許多方面，模擬式與數(shù)字式的黏度計功能上十分的相像。而兩種的操作流程在本質(zhì)上也很類似，并有著相同的配件且在本公司的許多規(guī)格中也是可以互相代換的。 模擬式的是本公司黏度計中價錢比較低廉的，它較適合用在短時間黏度的量測而對長時間的流變行為細部量測較不適用。這是因為當(dāng)轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)動時，數(shù)值只能間歇性的讀到，也就是必須當(dāng)指真經(jīng)過某一特定區(qū)域或是停止黏度計或是當(dāng)狀態(tài)穩(wěn)定才能讀到讀數(shù)。另外長時間的測量需要付出較多的心力，而有些屏幕上一些變化迅速的過程也需要比較注意。 而數(shù)字式的黏度計擁有連續(xù)式的感應(yīng)器及記錄輸出端，它對于長時間的追蹤是比較適合的。它在操作長時間的黏度量測上比較輕松，并且可以調(diào)整記錄數(shù)據(jù)的時間，對于流變行為改變迅速的流體也較適合。另外，許多的操作者較喜歡使用數(shù)字式的，因為不需要在數(shù)據(jù)中做一些差補的動作。但是此種形式的黏度計不能在使用期間予以手動做一些修改或量測，而模擬式則是可以的。以上這兩種形式黏度計在量測上都能夠提供相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確度。 標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)子或是cone/plate的型態(tài)在本公司的黏度計中都有所提供。有關(guān)詳細的幾何型態(tài)可以參照2.1.8節(jié)，有相關(guān)資料予以敘述。 另外，一組模擬式的黏度計是無法轉(zhuǎn)變成數(shù)字式的，也沒有連接記錄器、計算機或是打印機輸出的功能。 我們提供許多種標(biāo)準(zhǔn)的黏度計，它們都擁有不同的模式、范圍，如各種的物理上的修正、不同的轉(zhuǎn)子速度與張力扭力。請與我們商量您的詳細需求，讓我們來提供給您。 2.1.2轉(zhuǎn)子型態(tài)(Spindle Geometries) 本公司的黏度計都會提供您較為適合的轉(zhuǎn)子，來搭配購買的儀器以達到的使用范圍及應(yīng)用。然而這些轉(zhuǎn)子都有其特殊的型態(tài)，目的是為了能夠提供一較為適的結(jié)果給您。本公司有提供多樣的轉(zhuǎn)子與配件以滿足使用者的需求；在此節(jié)我們都有列出。 本公司的黏度計材質(zhì)上采用的是300系列的不銹鋼材，因此在一般操作情況下都不用予以維修，有些更進一步的覆上一層抗腐蝕材質(zhì)。若您在應(yīng)用上較不同，需要較特殊的轉(zhuǎn)子的話，歡迎您向本公司洽詢。盤狀轉(zhuǎn)子 幾種標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)子型號如下LV系列(轉(zhuǎn)子＃2和＃3)和RV/HA/HB系列(轉(zhuǎn)子＃1到＃6)，這幾組是比較常用的，并且使用于容量600ml或以上的樣品槽中。轉(zhuǎn)子的制造是相當(dāng)?shù)?，并且在不同流體中都做過黏度數(shù)據(jù)再現(xiàn)性的測試。這些結(jié)果并可經(jīng)由Technical Paper AR-82中的數(shù)學(xué)程序加以轉(zhuǎn)換成黏度的函數(shù)。2.1.7節(jié)中有轉(zhuǎn)子幾何型態(tài)直接對應(yīng)剪率的相關(guān)資料。圓柱狀轉(zhuǎn)子 這類轉(zhuǎn)子(LV＃1和＃4 RV/HA/HB＃7)擁有固定的型態(tài)，不僅對黏度，也可以計算剪率與剪力的數(shù)值。這類轉(zhuǎn)子的其它方面的參數(shù)和前面的盤狀轉(zhuǎn)子大致上相似。由于在幾何設(shè)計上的優(yōu)勢，再加上數(shù)學(xué)分析這類轉(zhuǎn)子對于非牛頓流體的測量相當(dāng)?shù)挠袃r值。這類轉(zhuǎn)子在本公司各種黏度計的模式都可以應(yīng)用，但必須挑選適當(dāng)?shù)姆秶?。另外圓柱型轉(zhuǎn)子中相當(dāng)于盤狀型號LV＃2和＃3的轉(zhuǎn)子本公司也有提供。2.1.7節(jié)有剪率幾何方面的相關(guān)資料。共軸圓柱 共軸圓柱的幾何構(gòu)造可用來得到較好剪率及剪力的數(shù)值，特別是在當(dāng)樣品體積非常小的時候。下述幾種是本公司儀器采用此幾何構(gòu)造的配件，它們在特殊情況下都擁有其個別的優(yōu)點。這些裝備配件有：Small Sample Adapter(2.1.4節(jié))、UL Adapter(2.1.5節(jié))、Thermosel(2.1.6節(jié))和DIN Adapter(2.1.4節(jié))。圓錐/平板（Cone/Plate）幾何構(gòu)造 Cone/plate 的幾何構(gòu)造不但提供了的黏度值，另外也能讓使用者輕易的得到準(zhǔn)確的剪力及剪率值。它所需的樣品體積小，并且也設(shè)計了可控溫的結(jié)構(gòu)；另外它的構(gòu)造也特別適合用來研究分析非牛頓流體的流變行為。這一裝置包含在Wells-Brookfield Cone/Plate Viscometer里面(2.1.8節(jié)中包含有更多的相關(guān)資料)。 T型轉(zhuǎn)子 通常和Helipath Stand配件相連接，它通常被拿來測量低流動性的或是不流動的物質(zhì)，如糊狀物、膠體或是乳脂狀物(見2.1.9節(jié))。 2.1.3溫度控制(Temperature Control) 在黏度的測量中為了確保實驗的準(zhǔn)確性與再現(xiàn)性，我們常常在實驗中加上了溫度的控制。而也因此本公司的儀器具有下列的系統(tǒng)：控溫槽 在大多數(shù)的黏度測量應(yīng)用上，使用恒溫槽來控溫是相當(dāng)合適的。其中有兩種形式：循環(huán)式通常以包覆儀器的方式使用，如Wells-Brookfield Cone/Plate Viscometer(2.1.8節(jié))和Small Sample Adapter(2.1.5節(jié))；和水槽/循環(huán)，這種適用于各種儀器的應(yīng)用，將樣品容器沈浸在水槽中以達到控溫的效果。不過控溫槽有一個操作的溫度限制，大約在120℃左右(和槽內(nèi)使用的液體有關(guān))，且通常還需要一輔助裝置，以供當(dāng)所需溫度在室溫以下時使用。我們也提供冷卻的設(shè)備。如果您需要更多資料，可跟本公司洽詢。高溫測量系統(tǒng)(Thermosel System) 這個系統(tǒng)是為了少量樣品，且在溫度介于40到300℃的測量所設(shè)計。它和一般的控溫系統(tǒng)不同，它并不以流體為控溫的介質(zhì)。在2.1.6節(jié)有更多的資料。 2.1.4小體積樣品槽 (Small sample Volume) 大部分本公司樣品槽的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格是個約600毫升的Griffin杯。而很多的使用者認(rèn)為一個小體積的樣品槽是非常必要的，因此現(xiàn)在本公司的產(chǎn)品提供了幾種小體積的樣品槽。微量樣品接頭（Small Sample Adapter） 我們使用了特殊的設(shè)計來提供一個小體積的樣品槽，這個小體積的樣品槽是個夾套式與同軸圓柱型的配備，除了cone/plate型以外，它和本公司其它的黏度計都是可以兼容的。它所需的樣品體積，依模式的不同，其范圍在2.0到16.0毫升。另外依使用模式的不同，所能測得的黏度范圍從5 cp到10,000,000 cp，而剪率是從0.066到93.0 1/秒。另外Small Sample Adapter的夾套設(shè)計也可以與循環(huán)式的控溫槽相接，較為高約可達到100℃下的恒溫狀態(tài)。*低黏度接頭（UL Adapter） UL Adapter主要適用在比一般量測范圍更低的黏度來量測。當(dāng)與可動的end cap搭配使用時，其樣品體積需要量為16.0毫升。在2.1.5節(jié)有提供較多的資料。 DIN Adapter DIN Adapter與UL Adapter一樣，是與特別的黏度計搭配使用，來對黏度范圍較一般測量低時做量測用。它的測量范圍在1 cp到50,000 cp與DIN 53019相符。高溫測量系統(tǒng)(Thermosel System) Thermosel系統(tǒng)可量測溫度控制在300℃下的黏度。與同軸圓柱型態(tài)轉(zhuǎn)子搭配使用下，樣品體積介于8.0到13.0毫升間(和所用轉(zhuǎn)子相關(guān))。詳情參照2.1.6節(jié)。 Wells-Brookfield Cone/Plate & CAP黏度計 當(dāng)樣品體積被限制住的時候，我們往往使用Wells-Brookfield Cone/Plate黏度計，因為其所需樣品量在0.5到2.0毫升間。相關(guān)資料在2.1.8節(jié)有所論述。 CAP黏度計所需樣品量＜1毫升。在2.1.8節(jié)有詳細的介紹。 2.1.5低黏度狀態(tài)(Low Viscosity) 每一個Brookfield的黏度計都提供了相當(dāng)寬廣的黏度量測范圍，但偶爾還是會有某些狀況下，必須做儀器范圍外的量測。有幾項本公司的配件提供這些范圍外的服務(wù)：*低黏度接頭(UL Adapter) 這個配件的設(shè)計明顯地替LV系列的黏度計提供了較低黏度量測的敏感度；它可以被使用于除了cone/plate型外之本公司的黏度計。當(dāng)裝配在LVF或LVT黏度計上時，UL Adapter提供了1.0到10.0 cp的量測范圍與轉(zhuǎn)速60rpm下的剪率73.4 1/秒。而其它種類的黏度計與UL Adapter搭配下所能測量的較為低黏度如下：RVT，6.4 cp；HAT，12.8 cp；HBT，51.2 cp。UL Adapter的型態(tài)為一共軸圓柱并在外層圓柱加上一可動式PE末端帽。再加上此末端帽的條件下，其樣品量測體積為16.0毫升，且可在一空溫槽下控溫到較為高100℃；若除去此末端帽，則此Adapter將可適用于任何的樣品槽。微量樣品接頭 在一些轉(zhuǎn)子/樣品槽的搭配下，Small Sample Adapter有機會量測到比一般范圍要低一點的黏度值。詳細的應(yīng)用測量的范圍請參照表，若想了解更加詳細，可在2.1.4節(jié)找到資料。高溫測量系統(tǒng) 與特定的轉(zhuǎn)子搭配，Thermosel系統(tǒng)可提供低黏度的一個較高的敏感度；想知道更多的資料可以參考應(yīng)用范圍表，而此系統(tǒng)在2.1.6節(jié)有更詳細的討論。 Wells-Brookfield Cone/Plate黏度計 Wells-Brookfield Cone/Plate黏度計對低黏度的量測可以到達0.1 cp。2.1.8節(jié)對此儀器有有論述。 2.1.6高溫狀態(tài)(High Temperature) 在高溫下的黏度量測可簡可繁，主要視樣品種類與溫度而決定。有時較為重要的地方是在控制黏度計與樣品間的距離來增加轉(zhuǎn)子的使用范圍(2.1.10節(jié))。另外有些困難的應(yīng)用，如熔融態(tài)玻璃的測量，需要特制的熔爐及坩堝，當(dāng)然此時黏度計的配件也需要有耐高溫的抵抗能力(若您有需要可與本公司聯(lián)絡(luò)洽詢)。由前述的特例可知，本公司的儀器也可于高溫下做黏度測量。高溫測量系統(tǒng)（Thermosel） 此系統(tǒng)專為溫度范圍介于25到300℃下之小體積樣品的黏度測量所特別設(shè)計。它通常被包裝成一完整的儀器裝置出售(包含黏度計)，當(dāng)然也可以加裝在您既有的黏度計上(除了cone/plate型以外)。 除了黏度計以外，此系統(tǒng)尚包含了一同軸圓柱狀轉(zhuǎn)子與樣品室，還有與RTD感應(yīng)器搭配之?dāng)?shù)字模擬溫控系統(tǒng)。Thermosel系統(tǒng)可有三種不同的變化：系統(tǒng)一是模擬型黏度計搭配手動裝置；系統(tǒng)二包含了數(shù)字型黏度計與溫度黏度記錄的輸出端；系統(tǒng)三是在系統(tǒng)二之外加了一組可作程序編輯流程的溫度控制系統(tǒng)。 Thermosel系統(tǒng)需要的是小體積的樣品(8.0到13.0毫升，依轉(zhuǎn)子而定)，并且其共軸圓柱型的轉(zhuǎn)子提供其范圍為0.08到93.0 1/秒的剪率，其數(shù)值和轉(zhuǎn)子及黏度計種類有關(guān)。控溫槽 Brookfield 控溫槽也可以適用于高溫黏度測量。一般較為高限制溫度為120℃。至于更多相關(guān)信息請見2.1.2節(jié)。 2.1.7 定義剪率值(Defined Shear Rate) 由于在應(yīng)用上黏度的數(shù)據(jù)必須表示， 所以必須考慮轉(zhuǎn)子的形狀，這樣剪率以及剪力才有辦法計算出來。 這些內(nèi)定參數(shù)可以從以下Brookfield的儀器與附件上找出。請從參考資料查閱更多有關(guān)下列產(chǎn)品的信息： 圓柱轉(zhuǎn)子 2.1.2 UL接頭 2.1.5 DIN接頭 2.1.4 小樣品接頭 2.1.4 Thermosel系統(tǒng) 2.1.6 Brookfield Cone/Plate黏度計 2.1.8 CAP黏度計 2.1.8 2.1.8 高剪率狀態(tài)(High Shear Rate) Brookfield黏度計原先被設(shè)計在低黏度測量上。 大部分的轉(zhuǎn)子可以測量的剪率皆低于100 (1/s)。配合UL接頭可以到達300 (1/s)的剪率(2.1.5節(jié))，或者使用小樣品接頭(2.1.4節(jié))，或者使用部份Thermosel系統(tǒng)(2.1.6節(jié))。當(dāng)剪率*過300 (1/s)， 就必須使用Brookfield Cone/Plate黏度計、CAP黏度計或是PVS流變計。 Brookfield Cone/Plate 黏度計 Brookfield Cone/Plate黏度計可以在內(nèi)定的剪率與剪力的范圍內(nèi)測量小樣品的黏度。由于轉(zhuǎn)子的設(shè)計，只需要0.5-2.0 mL的樣品并且剪率的范圍可在0.6-1500 (1/s)之間(視黏度計型號與轉(zhuǎn)子而定)。樣品槽也有的溫度控制。借著不同型號的黏度計與轉(zhuǎn)子，Brookfield Cone/Plate黏度計可以測量0.5 cp到150萬cp的黏度(雖然沒有單一的機型可以全部涵蓋這個范圍，但是使用數(shù)個不同的轉(zhuǎn)子即可達到這個范圍)。 Brookfield Cone/Plate黏度計可以同時使用儀表操控與數(shù)字化模式。亦可選擇使用(推薦使用)恒溫水槽以獲得與良好再現(xiàn)性的數(shù)據(jù)。這個Cone/Plate轉(zhuǎn)子是專門為Brookfield Cone/Plate黏度計所設(shè)計的， 并不能使用在其它的機型上。但是使用標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)子在Brookfield Cone/Plate黏度計上是有可能的。 CAP 黏度計 Brookfield Cone/Plate黏度計中的CAP系列的黏度計由于可以提供高剪率與不同速率的測量，因此被廣泛應(yīng)用在涂布、 覆膜、 樹脂、 油墨、 化妝品、 制藥與食品的研究發(fā)展與品質(zhì)控制上。這一系列的黏度計可以在高剪率下操作并提供的溫度控制，此外所需樣品體積都小于1mL。 CAP系列， 包括CAP1000與CAP-2000型黏度計， 會對轉(zhuǎn)子間隙與黏度范圍自動校正。CAP1000型固定單一轉(zhuǎn)速在750 RPM于50 Hz與900 RPM于60 Hz，而剪率在60 Hz時可以是12000 (1/s)或3000 (1/s)，在50 Hz時可以是10000 (1/s)或2500 (1/s)。 借著使用不同的轉(zhuǎn)子，黏度范圍可由0.25 Poise 至100 Poise。 CAP2000型可以調(diào)整不同的轉(zhuǎn)速由50至2000 RPM，而剪率范圍在166至26600 (1/s)之間， 黏度范圍由0.1至1500 Poise。CAP1000與CAP2000機型的誤差范圍都在±2%之內(nèi)， 并且符合BS3900， ISO 2884，與ASTM D-4287標(biāo)準(zhǔn)。 PVS 流變計 Brookfield PVS流變計可以測量在高溫與高壓下樣品的黏度。可使用的壓力范圍高達1000 psi 而溫度范圍在-40℃到200℃。因此很適合做油類、 氣體、 泥漿、 紙漿、 塑料、石油與氣膠等研究。 2.1.9不易流動的樣品(Non-Flowing Sample Materials) 不易流動或流動緩慢的流體，　例如漿糊、 乳霜與膠體， 在黏度的測量上有很多問題。一般的轉(zhuǎn)子往往會 channel(即把樣品都擠到同一個地方）， 而造成測量到的黏度越來越低的現(xiàn)象。使用Helipath Stand這個配件可以消除這個問題。非流動流體測試臺配件 Helipath Stand是可以裝備在Brookfield黏度計上的一種機械裝置。當(dāng)一個特制的T型轉(zhuǎn)子在樣品中轉(zhuǎn)動時，它可以緩慢地升高和降低黏度計(以每分鐘7/8-inch的速率)。于是轉(zhuǎn)子會持續(xù)地如螺旋般攪拌樣品， 并且避免``channeling""效應(yīng)發(fā)生，因此可以測得一個有意義的黏度/濃度值。Helipath Stand配件還包括了六個T型轉(zhuǎn)子。 螺旋接頭（Sprial Adapter） Brookfield Sprial Adapter是一種泵式傳感器， 可以應(yīng)用在焊膏，食品，化妝品，制藥的研究上。Spiral Adapter是由一個有螺紋的轉(zhuǎn)子與一個在外面的同心圓柱所組成。樣品可以被持續(xù)地經(jīng)由 Spiral Adapter輸送， 當(dāng)達到穩(wěn)定時， 即可測量出黏度。比起其它種測量方式，這種穩(wěn)定態(tài)的測量對于樣品制備方式與樣品中的微量成份較不敏感。 2.1.10特定配件選項(Special Accessory Items) 可以購買下列設(shè)備配合Brookfield黏度計/流變計使用。 Quickconnect 這個配件可以幫助我們快速的安裝或移除轉(zhuǎn)子以節(jié)省時間與步驟。它是由無應(yīng)力鋼所制成， 并且可以與T型轉(zhuǎn)子， LV， RV/HA/HA轉(zhuǎn)子配合使用。 Spindle Extensions 這個配件是應(yīng)用在當(dāng)樣品必須與黏度計分開一段距離時(較為遠6feet)，D型延伸器是裝在黏度計與轉(zhuǎn)子之間， 在轉(zhuǎn)子浸沒深度可以觀察到時使用。而S型延伸器包含了可以沉浸的部份， 使用于轉(zhuǎn)子浸沒深度無法觀察到時。 Purge Fitting 我們可以使用purgefitting將低壓的惰性氣體通至黏度計樣品槽中，并使內(nèi)部呈現(xiàn)較大的壓力以避免其水汽或其它氣體的進入。Purgefitting也可以使用在 Brookfield Cone/Plate黏度計與Thermosel系統(tǒng)上，藉以控制測量樣品時的氣氛。水銀開關(guān) (僅指針式黏度計適用) 在樣品有潛在爆炸或燃燒的顧慮時， 必須避免任何火花的產(chǎn)生。因為 Brookfield黏度計使用無電刷馬達， 因此系統(tǒng)中*可能產(chǎn)生火花的裝置為電源開關(guān)。使用水銀開關(guān)是一種便宜的方式可以避免火花產(chǎn)生而使系統(tǒng)無爆炸的顧慮。然而必須注意其它可能產(chǎn)生火花的地方例如電線、 插頭等， 請做好適當(dāng)?shù)奶幹?。水銀開關(guān)僅適合指針式黏度計使用。防爆裝置(僅指針式黏度計適用) 當(dāng)由于有易燃氣體存在和其它因素使得爆炸的顧慮提高時， 就必須使用防爆裝置。Brookfield指針式黏度計(除了Cone/Plate型)可以使用Underwriters" Laboratory(UL)提供的防爆裝置。這個裝置可以在Class I， Group D危害環(huán)境下使用。 數(shù)字式黏度計與流變計并無法使用這個防爆裝置。電子操控式的Brookfield配件， 例如Helipath Stand與Thermosel系統(tǒng)等， 也無法使用防爆裝置。不過可以使用防爆黏度計(可能需要一些特殊的配件)， 但只能在無危害的環(huán)境下使用。 2.1.11 危害儀器的環(huán)境(Fumes and Hazardous Locations) 當(dāng)環(huán)境中有蒸氣或煙霧時， 必須注意防止這些氣體進入黏度計。當(dāng)這些氣體或煙霧具有爆炸性時，必須做一些預(yù)防措施以保護人員安全與機器。 之前的幾節(jié)有一些這類防護裝置的概論。 2.1.12過程控制(Process Control) 在實際的應(yīng)用上， 常常必須結(jié)合線上程序黏度計與黏度控制器。Brookfield公司有一系列完整的程控應(yīng)用程序，請與Brookfield Engineering Laboratories聯(lián)絡(luò)以獲得更進一步的信息。