Основы практической реологии и реометрии

[•]--------------

6)

Puc. 101. a - кривые течения и вязкости с нанесенными величинами погрешности измеренных величин; 6 - современное программное обеспечение дает возможность операторам выбирать различные формы табулирования результатов (до 8 цифр) измерений или количество значащих цифр (колонки 4 и 6)

Скорость течения определяется компьютером, который получает сигнал от весов. Компьютер контролирует значения скорости тече­ ния за данный промежуток времени, определяет среднее, мини­ мальное и максимальное значения и оценивает соответствующие скорости сдвига, а также дополнительно выдает величину погреш­ ности, определяющую доверительный интервал скорости сдвига. Длина горизонтальных линий в каждой из экспериментальных то­ чек на кривых течения и вязкости (рис. 101, а) показывает этот до­ верительный интервал измеренных величин, особенно значитель­ ный при низких скоростях сдвига, и можно заметить, что две точки при самых низких скоростях почти бесполезны. Дополнительная особенность этих “отрезков ошибок”, которая может быть принята во внимание или опущена, заключается в том, что их присутствие на диаграмме дает важную дополнительную информацию относи­ тельно надежности результатов измерений, чего сами по себе кри­ вые течения или вязкости не дают. Результаты измерений давления или напряжения сдвига также имеют некоторую погрешность, но пределы допустимой погрешности здесь не указаны во избежание чрезмерного усложнения рисунка.

Рассмотрение доверительных интервалов на рис. 101, а может побудить к подбору таких условий испытаний, которые привели бы к снижению флуктуаций скорости течения, например к использова­ нию дозирующего насоса для расплава или применению различ­ ных шнеков для экструдера с более длинными зонами дозирования и т. д.

Оператор также должен отдавать себе отчет в следующем. Со­ временное компьютерное программное обеспечение (рис. 101,6) может выдавать результаты не только в графическом, но и в таб­ личном виде. Результаты измерений скорости, напряжения сдвига или вязкости получаются путем математических вычислений, исхо­ дя из таких измеренных величин, как скорость течения или перепад давления. Такие исходные экспериментальные данные, как скорость сдвига (в данном примере), часто содержат только одну или две значащие цифры. Компьютеры будут легко выдавать расчетные ве­ личины, как показано на рис. 101,6, с семью или даже с восемью цифрами, но, учитывая исходную неопределенность величины ско­ рости сдвига, особенно при ее низких значениях, это можно рас­ сматривать как нонсенс.

Даже при оптимальных условиях измерений на капиллярных или ротационных реометрах невозможно получить результаты измере­ ния вязкости в пределах одного десятичного порядка скорости сдвига с более чем двумя значащими цифрами. Чем больше цифр (свыше трех) приводит пользователь при измерении вязкости, тем в большей степени проявляет он свою некомпетентность!

Очевидно, что правильная установка нуля очень важна. В совре­ менных компьютеризированных реометрах предусмотрена автома­ тическая установка нуля перед началом измерений.

В этой связи может оказаться полезным один практический со­ вет. При испытании жидкостей с высоким пределом текучести на CR-вискозиметрах с пружиной в качестве датчика крутящего мо­ мента установку нуля производят перед заполнением измеритель­ ной системы.

Последующее заполнение системы испытуемой жидкостью не­ избежно вызывает некоторое смещение нуля сигнала крутящего момента при неподвижном роторе. Это обусловлено тем, что данная жидкость обладает пределом текучести. Последний препятствует датчику крутящего момента, который отклонился от нулевого по­ ложения при заполнении системы, полностью освободиться от на­ пряжения, т. е. не позволяет сигналу крутящего момента (напряже­ ния сдвига) возвратиться в нулевое положение. Не проводя заново установку нуля прибора, можно начать новое измерение и полу­ чить кривую течения. Когда возрастающая скорость сдвига создаст напряжение, превышающее предел текучести, ротор начнет вра­ щаться и образец начнет течь, показывая правильное значение вра­ щающего момента.

6.3.2. Влияние избыточного объема образца

Концевые эффекты измерительных систем типа коаксиальных цилиндров, используемые в вискозиметрах конструкции Серле, мо­ гут вносить ощутимые погрешности. Традиционная для фирмы ХААКЕ конструкция роторов, у которых в верхней и нижней частях сделано углубление, исключает эти эффекты. Если количество об­ разца, введенного в наружный цилиндр, будет слишком велико, не­ которая часть его перельется в верхнее углубление, что обеспечит правильное заполнение зазора до верхнего края ротора и, соответ­ ственно, точное измерение напряжения сдвига и вязкости. Избы­ точный объем образца увеличит массу и инерцию ротора, но это практически не повлияет на результаты измерений. Ошибки вносят­ ся при больших скоростях вращения ротора, когда в результате центробежной силы избыточное количество образца выбрасывается из верхнего углубления ротора на стенку внешнего цилиндра. Это дополнительное количество образца также подвергается сдвигу и увеличивает измеряемое значение крутящего момента. В этом случае появляются скачкообразное возрастание сигнала напряже­ ния сдвига и петля гистерезиса, когда измеряют кривую течения при возрастании и при снижении скорости сдвига (рис. 103).

Выемка в нижнем торце ротора удерживает в себе воздух, когда при заполнении измерительной системы уровень жидкости в рабо­ чем зазоре поднимается. При вращении ротора в процессе изме­ рений можно пренебречь донным эффектом, т. е. дополнительным

Рис. 103. Влияние избыточного объема образца в цилиндрических измерительных системах на кривые течения, снятые при повышении и понижении скорости сдвига

вкладом в сигнал крутящего момента, связанным с очень малой вязкостью воздуха, подвергаемого сдвигу в нижней выемке.

Конструкция ротора с выемкой в днище очень хороша при изме­ рении вязкости при постоянной температуре. Если измерения про­ водят при программируемом повышении или понижении темпера­ туры, расширение или сжатие воздуха внесет дополнительные по­ грешности, и в этом случае лучше выбрать роторы типа ISO/DIN с конической формой нижнего торца.

При использовании измерительных систем типа ISO/DIN, кото­ рые имеют плоскую нижнюю поверхность, также необходимо избе­ гать значительного переполнения. В случае программируемого по­ вышения скорости сдвига избыток образца постепенно подвергает­ ся нарастающему воздействию центробежных сил и, таким образом, все ббльшая и большая часть этого избыточного количества образца будет вносить вклад в измеренную величину напряжения сдвига.

Из сказанного следует, что при использовании ротора с выемкой или ротора типа ISO/DIN необходимо тщательно контролировать объем вводимого образца жидкости. Если избыточное количество образца все же попало в верхнюю выемку ротора или уровень жид­ кости гораздо выше верхнего торца ротора типа ISO/DIN, избыток жидкости следует отобрать шприцом или пипеткой.

6.3.3. Влияние демпфирования на кривые течения и вязкости

Существуют образцы с высокой степенью неоднородности, как, например, человеческая слюна. При реологических измерениях та­ ких веществ в CR-вискозиметрах при фиксированных скоростях сдвига обнаруживаются значительные флуктуации измеряемых ве­ личин напряжения сдвига во времени. Если используемый вискози­ метр оборудован средством электронного или механического демп-

ньютоновской жидкости I выражается прямой линией. Кривая, по­ лученная при линейном возрастании скорости сдвига, совпадает с кривой, снятой при снижении скорости сдвига, при условии, что темп изменения скорости сдвига мал. Его увеличение приво­ дит к появлению верхней и нижней кривых гистерезиса II с направ­ лением движения против часовой стрелки, причем значения напря­ жений, отнесенные к какой-либо скорости сдвига, лежат ниже ис­ тинных значений на восходящей кривой и выше их на нисходящей.

Чем выше вязкость жидкости (внутреннее демпфирование об­ разца), чем выше демпфирование датчика крутящего момента (при­ борное демпфирование) и чем выше темп линейного изменения скорости сдвига, тем, как это видно из кривой III, шире петля гисте­ резиса.

Чтобы получить результат измерений вязкости с высокой точно­ стью, необходимо, чтобы условия равновесия между заданной ско­ ростью сдвига и измеренным напряжениям сдвига (или наоборот) установились до того, как эти условия вновь изменятся. Если изме­ рения проводят с программируемым линейным изменением скоро­ сти сдвига, любое приборное демпфирование должно быть от­ ключено и темп изменения скорости сдвига должен быть оптими­ зирован.

Программируемое линейное изменение скорости (напряжения) сдвига было разработано для того, чтобы автоматизировать по­ строение непрерывных кривых течения и вязкости и, таким обра­ зом, сэкономить время оператора, но неправильный выбор этого режима может привести к ошибкам порядка 10-20%.

Современное компьютерное программное обеспечение для рео­ метров позволяет исключить риск влияния демпфирования на ре­ зультаты измерений, создавая условия линейного изменения ско­ рости сдвига (напряжения) и получения “стационарных” кривых течения, что и продемонстрировано на рис. 105 на примере CS-реометра. Эта компьютерная программа позволяет получать кривые течения и вязкости в заданном интервале напряжения сдви­ га. Заданные напряжения сдвига (обычно 10-20 значений) автома­ тически устанавливаются шаг за шагом, одно после другого в по­ рядке возрастания, но измерения при каждом последующем значе­ нии напряжения сдвига начинаются только после того, как достиг­ нуто равновесное значение скорости сдвига на предыдущем этапе.

На экране компьютера строится кривая зависимости измеряемой скорости сдвига в функции времени при заданном напряжении сдвига. Всякий раз, когда включается следующее, более высокое значение напряжения сдвига, измеряемая скорость сдвига проходит через пик, после чего требуется некоторое время для того, чтобы измеряемая скорость сдвига достигла своего равновесного значе­

ния. Программное обеспечение дает по умолчанию предел величин, что позволяет повышать напряжение сдвига до следующего, более высокого уровня только после:

а) снижения наклона ниспадающей ветви кривой скорость сдви- га-время ниже заданного уровня (идеальное изменение - менее 0,01% );

б) окончания промежутка времени, продолжительность которо­ го, как показало предыдущее испытание, достаточна для достиже­ ния необходимого реологического равновесия.

!Для тиксотропных образцов кривая скорость сдви- га-время будет асимптотически приближаться к своему нижнему равновесному положению, соответствующему переходу жидкости в состояние золя.

Программа построения “равновесной” кривой течения, особенно предусматривающая пределы по умолчанию, автоматически учиты­ вает необходимость более длительного ожидания: до тех пор, пока скорость сдвига при испытании образцов с высокой вязкостью не достигнет равновесного значения. Цена достижения более точ­ ной кривой течения - увеличение времени измерений на 10 мин или более, тогда как с помощью программы линейного изменения на­ пряжения можно получить менее точные результаты уже в течение двух или трех минут.

Рис. 105. Кривая установившегося течения