Вискозиметрия UF-смол: зачем лаборатории многоточечные измерения вместо одного числа вязкости
Одной точки на кривой вязкости недостаточно
В контроле качества часто фиксируют одно число вязкости при одной скорости сдвига. Для неньютоновских жидкостей со сложной структурой этого мало: одноточечная вискозиметрия не описывает, как материал течёт в разных режимах деформации и как меняется его структура при хранении.
Дальше разберём одну экспериментальную линию: что измеряли на UF-смолах, при каких условиях, как менялись индекс течения n и consistency index K, и что из этого следует для лабораторного контроля. Опора — исследование Suurpere et al. (2006).
Ротационная вискозиметрия: степенная модель и задача исследования
Ротационная вискозиметрия — стандартный метод измерения динамической вязкости неньютоновских жидкостей. Авторы применили его к коммерческим UF-смолам: смолы наблюдали при хранении до гелеобразования, вызванного щелочно-ускоренной поликонденсацией.
Результаты описывали степенной моделью:
τ = K γⁿ
где K — consistency index, n — flow index (индекс течения). При n = 1 жидкость ведёт себя как ньютоновская; отклонение n от единицы отражает неньютоновский характер течения. По изменению n и K во времени можно судить, остаётся ли смола близкой к ньютоновскому режиму или уходит в структурирование.
Капиллярная вискозиметрия относится к другому классу методов измерения вязкости. В цитируемой работе её не сопоставляли с ротационной: сравнительных цифр по двум подходам в источнике нет, и статья их не достраивает.
Объект исследования узкий: коммерческие UF-смолы с мольным отношением F/U ≈ 1,04–1,06. Степенная модель — аппроксимация кривых τ–γ, а не универсальный закон для любой жидкости. Задача авторов — отследить, как при старении меняются n и K и когда смола переходит к гелеобразованию.
Условия эксперимента: приборы, скорости сдвига, температура
Сравнимость чисел зависит от геометрии измерительной системы и режима сдвига. В работе использовали два коаксиально-цилиндрических ротационных вискозиметра с заданной скоростью сдвига — не «один прибор на все точки», а две независимые системы с разными диапазонами shear rate.
Шпиндель 21 на Brookfield даёт более широкий диапазон скоростей сдвига, шпиндель 27 — более узкий и «мягкий» по shear rate. Rheotest-2 перекрывает ещё более широкий интервал, вплоть до 437,4 с⁻¹. Если лаборатория сравнивает партии по «вязкости», но меняет геометрию или верхнюю границу сдвига, числа перестают быть сопоставимыми без оговорки об условиях деформации.
Оба прибора — ротационные системы своего времени. Переносить их диапазоны скоростей на другую геометрию без учёта цилиндров, формы ротора и доступного shear rate нельзя: меняется картина течения. Отсюда расхождение индекса n между приборами примерно на 0,1 единицы.
Характеристики современных лабораторных вискозиметров в протокол Suurpere et al. не входят. В этом разделе — только приборная пара и условия работы 2006 года; связь с ViscoQC 300 — в финальном блоке, без подстановки его параметров в эксперимент.
Что показали многоточечные измерения при старении смол
Гелеобразование изученных смол при хранении наступало примерно за 26–42 суток (Fig. 1 в исходной работе). Различие сроков авторы связывают главным образом с длительностью начального периода медленного роста вязкости: чем дольше смола «стоит» в зоне медленного роста, тем позже наступает гель.
Авторы выделяют два периода поликонденсации: начальный медленный рост вязкости и последующую быструю структуризацию. В начальном периоде, когда midpoint viscosity η50 < 1000 мПа·с, индекс течения n лишь слабо отклоняется от 1. Неньютоновский характер смол сразу после производства и некоторое время хранения выражен слабо — кривая τ–γ близка к линейной, и одноточечный QC ещё может «совпасть» с ощущением стабильности. Проблема одноточечного контроля проявляется позже, когда форма кривой уже меняется.
По мере старения картина меняется. Пример из Table 2 для смолы 3b (данные Brookfield; значения n по Rheotest-2 могут отличаться примерно на 0,1 ед.):
| День хранения | n | K (мПа·сⁿ) | ηmin (мПа·с) |
|---|---|---|---|
| 9-й день | 0,994 | 407 (K как η0) | 396 |
| 26-й день (перед гелеобразованием) | 0,677 | 9820 | 2222 |
На 9-й день n = 0,994: смола почти ньютоновская, ηmin = 396 мПа·с. Перед гелеобразованием на 26-й день n падает до 0,677, consistency index K растёт с 407 до 9820, ηmin поднимается до 2222 мПа·с. Одноточечная фиксация «вязкости» без серии скоростей сдвига эту эволюцию формы кривой τ–γ не ловит: меняется не только уровень вязкости, но и характер течения. Между приборами лучше согласуются значения η∞ (ηmin), чем η0.
Отдельно от реологической аппроксимации τ = K γⁿ авторы описывают рост вязкости при старении степенной кинетикой dη/dt = k ηⁿ′ (Eqs. 5–6). Именно к этой кинетической модели относится вывод: при типичных значениях вязкости свежей смолы (300–450 мПа·с) рост вязкости во времени медленный, и отклонение от степенного описания dη/dt велико. Это не означает, что τ = K γⁿ «не работает» для свежей смолы: Table 2 как раз даёт n и K уже с ранних дней хранения (на 9-й день n ≈ 0,994). Для лаборатории важно не смешивать две разные «степенные» модели и фиксировать геометрию и режим сдвига при сравнении партий.
Серия измерений во времени показывает окно стабильности до гелеобразования по набору точек, а не по разовому числу. Источник цифр и интерпретации — Suurpere et al., 2006.
Границы переноса выводов
Экстраполяция срока гелеобразования t_gel по η⁻¹ при 25 °C авторами признана плохим приближением для всего периода хранения. Перенос выводов на другой класс материалов, другую геометрию или другой протокол старения требует собственной проверки — статья не утверждает универсальность для всех неньютоновских жидкостей.
Как применить многоточечную вискозиметрию в лаборатории
Для контроля качества неньютоновских жидкостей лучше серия скоростей сдвига и прослеживание формы кривой во времени, а не одно число вязкости. На примере UF-смол (смола 3b) многоточечная ротационная вискозиметрия показала смену режима течения (падение n с ~1 до 0,677) и приближение к гелеобразованию раньше, чем это видно по одиночной точке при фиксированной скорости.
Зафиксируйте геометрию, температуру и набор скоростей сдвига, затем повторяйте тот же протокол по мере хранения партии. Тогда сравнимы не только «уровни» вязкости, но и параметры степенной аппроксимации — n и K — в пределах вашей методики.
Если лаборатории нужен ротационный вискозиметр для многоточечного определения вязкости жидкостей и суспензий, в каталоге — ротационный вискозиметр Anton Paar ViscoQC 300. По карточке АССА: диапазон вязкости от 1 до 6 000 000 мПа·с (зависит от системы измерения), скорость вращения от 0,01 до 250 об/мин с 25 приращениями (19 стандартных плюс 6 свободно выбираемых), точность ±1,0 % полного диапазона шкалы, воспроизводимость ±0,2 % полного диапазона шкалы. Сферы применения из карточки: пищевая, фармацевтическая, химическая и лакокрасочная промышленность, косметика, нефтехимия.
ViscoQC 300 — инструмент задачи лабораторного контроля вязкости, а не замена протокола Suurpere и не реометр. Конкретную геометрию и режим сдвига под образец подбирают отдельно.
Какой режим сдвига нужен вашим образцам?
Посмотрите Anton Paar ViscoQC 300 в каталоге — ротационный вискозиметр для определения вязкости жидкостей и суспензий в лаборатории и на производстве.
Если нужна помощь с конфигурацией под вашу задачу — напишите или позвоните: Александра, технический специалист по подбору лабораторного оборудования, подскажет, с чего начать.
- Тел.: 8 (499) 490-02-72
- Email: blog@assa-group.ru
- Suurpere A., Christjanson P., Siimer K. Rotational viscometry for the study of urea-formaldehyde resins. Proceedings of the Estonian Academy of Sciences. Engineering. 2006. URL: https://kirj.ee/wp-content/plugins/kirj/pub/eng-2-2006-134-146_20211118123608.pdf
Теги: вискозиметрия, ротационная вискозиметрия, метод измерения вязкости, динамическая вязкость, ViscoQC 300