粘度數(shù)據(jù)對(duì)比的前提
粘度計(jì)的粘度測量是一種相對(duì)測量。進(jìn)行同一個(gè)樣品的測量數(shù)據(jù)比較,需遵循基本的3S原則(Spring 彈簧游絲 / Spindle 轉(zhuǎn)子 / Speed 轉(zhuǎn)速)基礎(chǔ)上,再配合考慮測試溫度、讀數(shù)時(shí)間以及樣品預(yù)處理等因素。簡單而言,3S原則就是需要使用使用相同量程(相同規(guī)格的彈簧游絲)的粘度計(jì)機(jī)型(LV、RV、HA、HB等)以及相同的測量方法(包含轉(zhuǎn)子類型/型號(hào)、轉(zhuǎn)速);否則,同一樣品的測試結(jié)果可能會(huì)有很大的差異。
假設(shè):當(dāng)我們使用了不同機(jī)型的粘度計(jì)測量同一個(gè)樣品時(shí),結(jié)果會(huì)如何?這些粘度數(shù)據(jù)之間還有比較的可能性么?
當(dāng)我們使用不同機(jī)型的粘度計(jì)測量同一個(gè)樣品時(shí),所得到的測試數(shù)據(jù)能否對(duì)比取決于具體的粘度計(jì)機(jī)型差異。某些機(jī)型之間,如測量系統(tǒng)(轉(zhuǎn)子)形狀相同的量程為RV/HA/HB系列的標(biāo)準(zhǔn)粘度計(jì)之間原則上可以進(jìn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)的對(duì)比。而標(biāo)準(zhǔn)粘度計(jì)本身的測量系統(tǒng)(轉(zhuǎn)子)形狀就不相同的LV機(jī)型和RV/HA/HB機(jī)型之間無法進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)對(duì)比。基于以上前提,就不同機(jī)型粘度計(jì)的數(shù)據(jù)對(duì)比做一簡要說明。
1、不同量程(彈簧扭矩)的標(biāo)準(zhǔn)粘度計(jì)
標(biāo)準(zhǔn)粘度計(jì)滿量程粘度值的計(jì)算公式:
FSR = TK * SMC *(100*100 / RPM)
注:TK為扭矩常數(shù),SMC為轉(zhuǎn)子常數(shù),RPM為轉(zhuǎn)速。
各量程機(jī)型的TK值如下:
o LV 型 = 0.09373
o RV 型 = 1
o HA 型 = 2
o HB 型 = 8
以RV和HB機(jī)型的標(biāo)準(zhǔn)粘度計(jì)為例,由上式可得:相同的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)速及溫度下,HB 機(jī)型粘度計(jì)的測試量程為RV 機(jī)型的 8 倍。
BROOKFIELD標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測得的粘度數(shù)據(jù)是樣品的相對(duì)粘度值,因此,當(dāng)轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)速及溫等度條件相同時(shí),在儀器的量程范圍內(nèi),RV機(jī)型與HB機(jī)型測得的數(shù)據(jù)是基本一致的。但是由于儀器自身的測量誤差 = 當(dāng)前測試條件下的量程* 1%,因此HB機(jī)型測得數(shù)據(jù)的誤差是RV機(jī)型的8倍。
如樣品為單純的牛頓流體(樣品粘度不隨剪切率的改變而變化),在HB機(jī)型粘度計(jì)轉(zhuǎn)速選80RPM以及相同轉(zhuǎn)子(相同溫度)下,為了RV機(jī)型粘度計(jì)實(shí)測的粘度值與HB的相符則可考慮采用10RPM的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測試。但實(shí)際樣品基本都是非牛頓流體(同一樣品,粘度隨剪切率的改變而變化),因此即使兩個(gè)儀器選定了理論上合適的扭矩常數(shù)(HB:RV=8:1)與轉(zhuǎn)速(HB:RV=8:1),也無法確保能獲得一致的粘度值??紤]到不同機(jī)型粘度測量的相對(duì)獨(dú)立性和由樣品本身流變特性造成的測量數(shù)據(jù)不匹配性,為了獲得可靠的測試數(shù)據(jù)比對(duì),建議與需要做比對(duì)的參照方使用同樣的機(jī)型量程。
BROOKFIELD旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的有效使用量程為扭矩值的10% - 100%。因此,當(dāng)RV型轉(zhuǎn)子粘度計(jì)的測試扭矩達(dá)到80%-100%之間時(shí),才可與HB機(jī)型對(duì)比;如若該樣品使用RV型測得的扭矩值低于80%時(shí),也就意味著使用HB型粘度計(jì)時(shí),扭矩值低于10%,此時(shí)HB型測得的粘度數(shù)據(jù)是無效的!
如若必須使用RV機(jī)型與HB機(jī)型在相同轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)速和溫度的測試條件下進(jìn)行比較,原則上可通過同時(shí)調(diào)高2臺(tái)機(jī)型的轉(zhuǎn)速,或者更換尺寸更大的轉(zhuǎn)子,以使得RV機(jī)型的測試扭矩在80%-100%之間,以便2臺(tái)粘度計(jì)的測試數(shù)據(jù)同時(shí)落在10%-100%的有效扭矩測試范圍內(nèi)。但由于兩者之間的交集太窄,實(shí)際測試中很多樣品可能經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)RV機(jī)型已超量程,而HB機(jī)型尚未達(dá)到有效讀數(shù)(扭矩百分比為10%以上)的情況。因此,實(shí)際當(dāng)中不同量程機(jī)型之間的數(shù)據(jù)對(duì)比基本上很難實(shí)現(xiàn)。
2、標(biāo)準(zhǔn)粘度計(jì) VS 錐板流變儀(粘度計(jì))
標(biāo)準(zhǔn)粘度計(jì)與錐板流變儀(粘度計(jì))的轉(zhuǎn)子形狀不同,因此儀器內(nèi)部計(jì)算粘度值的公式wan全不同,其測得的相對(duì)粘度值是不存在可比性的。但是從流變學(xué)的角度來看,由于絕對(duì)粘度值 = 剪切應(yīng)力 / 剪切率,因此,當(dāng)樣品在相同的剪切速率及相同溫度的條件下,粘度計(jì)測得的粘度數(shù)據(jù)的變化關(guān)聯(lián)是有一定可比性的,但是如若需要得到精確的絕對(duì)粘度值,則必須使用高級(jí)旋轉(zhuǎn)流變儀。
BROOKFIELD標(biāo)準(zhǔn)粘度計(jì)的SSA附件(小量樣品適配器)及錐板流變儀(粘度計(jì))仿效了BROOKFIELD高級(jí)旋轉(zhuǎn)流變儀的設(shè)計(jì),其設(shè)定的轉(zhuǎn)速與流變學(xué)意義上的剪切率(Shear Rate)存在一定的換算關(guān)系:
轉(zhuǎn)子剪切率 = SRC(剪切常數(shù))* RPM
由上式可得,當(dāng)RV機(jī)型標(biāo)準(zhǔn)粘度計(jì)的SC4-14轉(zhuǎn)子(SRC=0.4)在100 RPM下時(shí),對(duì)樣品的剪切率為 0.4 * 100 = 40 1/s (剪切率單位為1/s)。此時(shí),如若希望CAP2000+型錐板粘度計(jì)的CAP-05號(hào)轉(zhuǎn)子(SRC=3.3)得到相同的剪切率,則其轉(zhuǎn)速應(yīng)設(shè)為 40 / 3.3 = 12 RPM。
實(shí)際測試中,盡管我們可以設(shè)定相同的剪切率與測試溫度,但是由于粘度測量的三個(gè)根本變量(絕對(duì)粘度值 / 剪切應(yīng)力 / 剪切率)中我們的粘度計(jì)僅能精確得到一個(gè)剪切率變量,因此不同的機(jī)型量程/不同測量體系下測得的絕對(duì)粘度值也會(huì)存在一定的差異。
由此,我們應(yīng)該是更多地(實(shí)際上也只能)考慮不同機(jī)型/不同測量系統(tǒng)在相同剪切率(相同溫度)下同一樣品粘度可能存在的變化趨勢關(guān)聯(lián)性,而不要糾結(jié)于實(shí)測的粘度值是否相近或者相同。就實(shí)際經(jīng)驗(yàn)而言,我們需要花費(fèi)很大的精力去做不同型號(hào)粘度計(jì)所測數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性的統(tǒng)計(jì)分析,但最終卻往往發(fā)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)并沒有好的比對(duì)關(guān)聯(lián)性,因此我們強(qiáng)烈不建議在不同粘度計(jì)的機(jī)型量程或不同測量系統(tǒng)中來進(jìn)行測試數(shù)據(jù)的比對(duì)。
旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)無論是何種機(jī)型,在測量范圍上都有比較大的局限性,常常需要更換轉(zhuǎn)子或轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)大粘度范圍的測量,一是操作不方便,二則是要進(jìn)行數(shù)據(jù)比較時(shí),由于測量條件的改變使得剪切率條件也隨之改變了,所以無法進(jìn)行有效比較。因此對(duì)非牛頓流體而言,要想全面且方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)比較,得到精確的絕對(duì)粘度值和流變曲線,推薦使用RSX系列高級(jí)旋轉(zhuǎn)流變儀。