Вискозиметр Куэтта

Вискозиметр Куэтта: внешний цилиндр обычно вращается, а внутренний неподвижен.

А — вид сбоку; Б — вид сверху. / — вращающийся внешний цилиндр; 2 — внешний ци­линдр (ротор); 3— внутренний цилиндр; 4 — кольцевой зазор, содержащий образец.

Этот прибор предназначен для применения при относительно низких градиентах сдвига и состоит из двух концентрических ци­линдров, разделенных узким кольцом, промежуток между кото­рыми заполняется образцом (рис. 4). Один цилиндр закреплен неподвижно, а другой — вращается. Зная угловую скорость и размеры цилиндра, можно следующим образом вычислить величины, входящие в уравнение (1). Ско­рость слоя жидкости, прилегающего к неподвижному цилиндру, примерно равна нулю; для вращающегося цилиндра — это ско­рость вращения. В промежуточных слоях скорости пропорцио­нальны радиальному расстоянию от неподвижного цилиндра. Следовательно, градиент сдвига является постоянной величиной и составляет

Где R — средний радиус цилиндров, S — скорость вращения (об/мин) и d — расстояние между цилиндрами. Напряжение сдвига F составляет где h — высота цилиндра, а T — момент вращения, необходимый для того, чтобы поддерживать скорость вращения S. Таким образом, прибор действует при низких значениях G, которые можно контролировать и легко из­мерить, что очень ценно для неньютоновых жидкостей, когда бывает необходимо экстраполировать ŋ к G = 0. Сложность при­бора Куэтта связана с силами на концах вискозиметра («конце­вые эффекты»). Заметьте, что верхняя поверхность жидкости подвергается действию капиллярных сил или поверхностному на­тяжению; внизу жидкость находится между неподвижной и вра­щающейся поверхностями. Практически вискозиметр Куэтта делают достаточно длинным, что приводит к пропорциональному уменьшению концевых эффектов.

Рис. 5.

А — вискозиметр Зимма — Крозерса [ Zimm В. Н., Croihers D. М., Proc. Nat. Acad. Sci., 48, 905—911 (1962)]. Б — модификация с погруженным ротором.

1 — пробка; 2 — термостатирующий кожух; 3 — циркулирующая жидкость; 4 — впускная трубка; 5 — мениск; 6 — ротор; 7 — статор; 8 — стальная пластина; 9 —линия на роторе и статоре; 10 — пластмасса и РЬзО4; 11 — фрагмент железного полюса; 12— магнит; 13 — привод мотора мешалки, а — стеклянная термостатированная камера образца (сек­ция, выделенная жирной линией); б — пластины электромагнита (секция, выделенная горизонтальной штриховкой); в—обмотка электромагнита; г — слой изоляции вокруг обмотки; д — циркулирующая вода; е — раствор ДНК; ж — погруженный ротор (пока­заны только внешние очертания ротора); з — воздушный зазор в магните для наблюде­ния за ротором; и — резиновое кольцо, нужное для герметизации при повышенном дав­лении; к — стержень для создания давления; л — гипс; jk — бакелитовый блок; к — верх­няя алюминиевая подставка; о - средняя алюминиевая подставка; п, р — болты и гайки для крепления полюсов магнита к станине; с, т — показана циркуляция воды внутрь и наружу соответственно; у — матовая стеклянная пластина. Все части нарисованы в масштабе, приведенном внизу, кроме пластин магнита (б) и проводов обмотки элек­тромагнита (в), [Ktoiz L. С, Zimm В. И., Macromol., 5. 471—481 (1972).]

Ротационный вискозиметр Зимма—Крозерса с плавающим ротором и его модификация с погруженным ротором

Эта модификация вискозиметра Куэтта позволяет с высокой точ­ностью работать при очень низких градиентах сдвига (рис. 5.). Он принципиально отличается от вискозиметра Куэтта тем, что в приборе Куэтта градиент сдвига зафиксирован и измеряется напряжение сдвига, в то время как в данном вискозиметре на­пряжение сдвига задано, а измеряется градиент сдвига. Раствор помещают между неподвижным внешним цилиндром и плаваю­щим в жидкости внутренним цилиндром, способным вращаться. Внутренний цилиндр содержит стальную пластинку. Снаружи внешнего цилиндра находятся вращающиеся магниты, которые заставляют эту пластинку, а поэтому и внутренний цилиндр вра­щаться. Скорость этого вращения зависит от количества стали во внутреннем цилиндре и вязкости жидкости и не зависит от скорости вращения магнита и плотности образца. Скорость сдви­га можно варьировать изменением количества стали во внутрен­нем цилиндре (добавлением большего количества пластинок). Поскольку момент вращения пропорционален количеству метал­ла во вращающемся магнитном поле, ротор будет вращаться намного быстрее и градиент сдвига возрастет. Градиент сдвига равен тангенциальной скорости, поделенной на радиальное рас­стояние между цилиндрами. Этот прибор просто измеряет вяз­кость относительно стандарта, такого, как вода, путем опреде­ления относительного количества времени, которое требуется, чтобы внутренний цилиндр проделал данное число вращений.

Проблемой для всех вискозиметров с вращающимися цилин­драми является действие поверхностных пленок у мениска (кон­цевые эффекты, о которых говорилось в предыдущем разделе). Прибор с погруженным ротором позволяет решить эту проблему. В этой модификации прибора Зимма — Крозерса внутренний ро­тор содержит захваченный пузырек воздуха, который сжимается под действием прилагаемого давления па раствор сверху. В ре­зультате внутренний цилиндр превращается в поплавок, который может быть так отрегулирован, что он будет полностью погру­жен в жидкость. Этот прибор значительно больше подходит для точного измерения при низкой скорости сдвига. Модификация прибора с погруженным ротором, названного - вязкоэластометром (используемым для другой цели), описана в последнем разделе.