ما هي اللزوجة؟

تعتبر اللزوجة معلمة أساسية عند قياس معدل تدفق السوائل ، مثل السوائل والمواد شبه الصلبة والغازات وحتى المواد الصلبة. يتعامل Brookfield مع السوائل والمواد شبه الصلبة. يتم إجراء قياسات اللزوجة جنبًا إلى جنب مع جودة المنتج وكفاءته. أي شخص يشارك في توصيف التدفق أو البحث أو التطوير أو مراقبة الجودة أو نقل السوائل ، في مرحلة أو أخرى ، يشارك في نوع من قياس اللزوجة.

يعتبر العديد من المصنّعين الآن أجهزة قياس اللزوجة جزءًا مهمًا من برامج البحث والتطوير والتحكم في العمليات. إنهم يعرفون أن قياسات اللزوجة غالبًا ما تكون الطريقة الأسرع والأكثر دقة والأكثر موثوقية لتحليل بعض أهم العوامل التي تؤثر على أداء المنتج.

تساعدنا العلاقات الريولوجية على فهم السوائل التي نعمل معها حتى نتمكن من معرفة كيف يتصرفون أو نجبرهم على التصرف وفقًا لاحتياجاتنا.

هناك العديد من التقنيات المختلفة لقياس اللزوجة ، كل منها مناسب لظروف ومواد معينة. يعد اختيار مقياس اللزوجة المناسب من بين عشرات الأدوات المتاحة لتلبية احتياجات أي تطبيق اقتراحًا صعبًا. تختلف الأدوات اليوم من أبسطها إلى أكثرها تعقيدًا: من عد الثواني للسائل إلى التدفق من العصا ، إلى معدات التسجيل والتحكم الأوتوماتيكية المتطورة للغاية. يضع هذا مستخدم الجهاز في موضع يجب فيه الاستفادة من تقديره لظاهرة التدفق المتضمنة ، إلى جانب "الدراية والخبرة" لدى الشركة المصنعة للأداة.

كان Brookfield رائدًا في تطوير أدوات قياس اللزوجة ومعالجة البيانات وحافزًا لتطوير العلوم. لدينا "الدراية والخبرة" لنكون شريكك في اختيار الأجهزة المناسبة للتحكم في عمليتك.

لماذا يجب إجراء القياسات الريولوجية؟

يجب على أي شخص يبدأ عملية تعلم التفكير الريولوجي أن يطرح السؤال أولاً ، "لماذا يجب أن أقوم بقياس اللزوجة؟" تكمن الإجابة في تجارب الآلاف من الأشخاص الذين أجروا مثل هذه القياسات ، مما يدل على أنه من الممكن الحصول على الكثير من المعلومات السلوكية والتنبؤية المفيدة لمختلف المنتجات ، وكذلك معرفة آثار العلاج ، والتغيرات في التركيبة ، والشيخوخة. الظواهر ، إلخ.

يمكن العثور على سبب شائع لقياس الخصائص الانسيابية في مجال مراقبة الجودة ، حيث يجب أن تكون المواد الخام متسقة من دفعة إلى أخرى. تحقيقًا لهذه الغاية ، يعد سلوك التدفق مقياسًا غير مباشر لاتساق المنتج وجودته.

سبب آخر لإجراء دراسات سلوك التدفق هو أنه يمكن الحصول على تقييم مباشر لقابلية المعالجة. على سبيل المثال ، يتطلب السائل عالي اللزوجة طاقة أكبر للضخ من السائل منخفض اللزوجة. لذلك فإن معرفة سلوكها الريولوجي مفيد عند تصميم أنظمة الضخ والأنابيب.

تم اقتراح أن الريولوجيا هي الطريقة الأكثر حساسية لتوصيف المواد لأن سلوك التدفق حساس لخصائص مثل الوزن الجزيئي وتوزيع الوزن الجزيئي. هذه العلاقة مفيدة في تركيب البوليمرات ، على سبيل المثال ، لأنها تسمح برؤية الاختلافات النسبية دون إجراء قياسات الوزن الجزيئي. القياسات الريولوجية مفيدة أيضًا في مراقبة مسار التفاعل الكيميائي. يمكن استخدام هذه القياسات كمراقبة للجودة أثناء الإنتاج أو لمراقبة و / أو التحكم في العملية. تتيح القياسات الانسيابية دراسة المعالجات الكيميائية والميكانيكية والحرارية وتأثيرات المواد المضافة أو مسار تفاعل التصلب. إنها أيضًا وسيلة للتنبؤ والتحكم في العديد من خصائص المنتج وأداء الاستخدام النهائي وسلوك المواد.

فكر في علم الريولوجيا

بادئ ذي بدء ، ضع في اعتبارك السؤال ، "هل يمكن استخدام معلمة ريولوجية لربط بعض جوانب المنتج أو العملية؟" لتحديد ذلك ، يجب تطوير غريزة لأنواع الظواهر الكيميائية والفيزيائية التي تؤثر على الاستجابة الريولوجية. في الوقت الحالي ، لنفترض أن هذه المعلومات معروفة وأنه تم تحديد العديد من الاحتمالات. تتمثل الخطوة التالية في جمع البيانات الريولوجية الأولية لتحديد نوع سلوك التدفق الذي يميز النظام قيد الدراسة. على المستوى الأساسي ، يتضمن ذلك إجراء قياسات باستخدام أي مقياس لزوجة Brookfield متاح واستخلاص النتائج بناءً على أوصاف سلوك التدفق التالي.

بمجرد تحديد نوع سلوك التدفق ، يمكن للمرء أن يفهم بشكل أفضل كيفية تفاعل مكونات النظام. يمكن بعد ذلك تركيب البيانات التي تم الحصول عليها على أحد النماذج الرياضية التي تم استخدامها بنجاح مع أدوات Brookfield.

تتراوح هذه النماذج الرياضية من بسيطة جدًا إلى معقدة جدًا. يتضمن بعضها ببساطة رسم البيانات على ورق الرسم البياني ؛ يطلب منك الآخرون حساب نسبة رقمين. بعضها معقد للغاية ويتطلب استخدام الآلات الحاسبة أو أجهزة الكمبيوتر القابلة للبرمجة. هذا النوع من التحليل هو أفضل طريقة للحصول على أقصى استفادة من بياناتنا وغالبًا ما ينتج عنه أحد ثابتين يلخصان البيانات ويمكن أن يكونا مرتبطين بأداء المنتج أو العملية.

بمجرد إنشاء ارتباط بين البيانات الانسيابية وسلوك المنتج ، يمكن بعد ذلك عكس الإجراء ويمكن استخدام البيانات الانسيابية للتنبؤ بالأداء والسلوك.

تكافح مع الريولوجيا

يعرّف القاموس الريولوجيا على أنه "دراسة التغيير في شكل وتدفق المادة ، مع احتضان المرونة واللزوجة واللدونة".

نحن مهتمون بهذا الفصل مع اللزوجة ، والتي يتم تعريفها أيضًا على أنها

الاحتكاك الداخلي للسائل الناجم عن التجاذب الجزيئي ، مما يجعله يقاوم الميل إلى التدفق. يقيس مقياس اللزوجة Brookfield الخاص بك هذا الاحتكاك وبالتالي يعمل كأداة ريولوجيا. الغرض من هذا الفصل هو تعريفك بالأنواع المختلفة لسلوك التدفق واستخدام مقياس اللزوجة Brookfield كأداة ريولوجية لتمكينك من إجراء تحليل مفصل لأي سائل تقريبًا. هذه المعلومات مفيدة لجميع مستخدمي مقياس اللزوجة ، خاصة أولئك الذين يلتزمون بالمدارس الفكرية النظرية والأكاديمية حول قياس اللزوجة.

لزوجة

اللزوجة هي مقياس الاحتكاك الداخلي للسائل. يتضح هذا الاحتكاك عندما تتسبب إحدى طبقات السائل في التحرك بالنسبة لطبقة أخرى. كلما زاد الاحتكاك ، زادت أهمية القوة المطلوبة لإحداث هذه الحركة ، والتي تسمى القص. يحدث القص عندما يتم نقل السوائل فعليًا أو توزيعها ، كما هو الحال عند الصب ، والانتشار ، والرش ، والخلط ، وما إلى ذلك. لذلك تتطلب السوائل عالية اللزوجة قوة أكبر للتحرك من المواد الأقل لزوجة.

حدد إسحاق نيوتن اللزوجة من خلال النظر في النموذج الموضح في الشكل أعلاه. مستويان متوازيان من المائع لهما نفس السطح A يفصل بينهما مسافة dx ويتحركان في نفس الاتجاه بسرعتين مختلفتين V1 و V2. افترض نيوتن أن القوة المطلوبة للحفاظ على هذا الاختلاف في السرعة تتناسب طرديًا مع الاختلاف في السرعة عبر السائل ، أو تدرج السرعة. للتعبير عن هذا ، كتب نيوتن:

انحدار السرعة ، dv / dx ، هو مقياس للتغير في السرعة التي تتحرك بها الطبقات المتوسطة بالنسبة لبعضها البعض. يصف القص الذي يخضع له السائل وبالتالي يسمى معدل القص. سيرمز S إلى هذا في المناقشات اللاحقة. وحدة القياس الخاصة به تسمى الثانية المتبادلة (ثانية -1).

يشير المصطلح F / A إلى القوة لكل وحدة مساحة مطلوبة لإنتاج إجراء القص. يطلق عليه إجهاد القص ويرمز له بـ F ′. وحدة قياسها هي داين لكل سنتيمتر مربع (dynes / cm2).

باستخدام هذه المصطلحات المبسطة ، يمكن تعريف اللزوجة رياضيًا بهذه الصيغة:

وحدة قياس اللزوجة الأساسية هي الاتزان. المادة التي تتطلب إجهاد قص بمقدار واحد داين لكل سنتيمتر مربع لإنتاج معدل قص متبادل لمدة ثانية واحدة لها لزوجة واحدة ، أو 100 سنتيبواز. ستواجه قياسات اللزوجة معبرًا عنها بالثواني باسكال (Pa · s) أو ملي باسكال بالثواني (mPa · s) ؛ إنها وحدات من النظام الدولي وتستخدم أحيانًا في التفضيل على التعيينات المترية. ثانية باسكال واحدة تساوي عشرة اتزان ؛ ملي باسكال ثانية تساوي سنتيبواز.

سوائل نيوتونيان

هذا النوع من سلوك التدفق الذي يفترضه نيوتن لجميع السوائل يسمى ، على نحو غير مفاجئ ، نيوتن. ومع ذلك ، يعد هذا أحد الأنواع العديدة لسلوك التدفق التي قد تواجهها. يتم تمثيل السائل النيوتوني بيانياً في الشكل أدناه. يوضح الرسم البياني A أن العلاقة بين إجهاد القص (F ′) ومعدل القص (S) هي خط مستقيم. يوضح الرسم البياني B أن لزوجة المائع تظل ثابتة مع اختلاف معدل القص. تشمل السوائل النيوتونية النموذجية الماء وزيوت المحركات السائلة.

افترض نيوتن أن جميع المواد لها ، عند درجة حرارة معينة ، لزوجة مستقلة عن معدل القص. بمعنى آخر ، ضعف القوة ستحرك السائل بسرعة مضاعفة. كما سنرى ، كان نيوتن محقًا جزئيًا فقط.

من الناحية العملية ، هذا يعني أنه عند درجة حرارة معينة ، ستظل لزوجة السائل النيوتوني ثابتة بغض النظر عن نموذج مقياس اللزوجة أو المغزل أو السرعة التي تستخدمها لقياسه. معايير اللزوجة Brookfield نيوتونية في نطاق معدلات القص الناتجة عن معدات Brookfield ؛ هذا هو السبب في أنه يمكن استخدامها مع جميع نماذج مقياس اللزوجة لدينا. من الواضح أن سكان نيوتن هم أسهل السوائل في القياس - فقط أمسك بمقياس اللزوجة وانطلق. إنها للأسف ليست شائعة مثل مجموعة السوائل الأكثر تعقيدًا ، غير النيوتونية ، والتي سنناقشها في القسم التالي.

السوائل غير النيوتونية

يُعرَّف السائل غير النيوتوني على نطاق واسع بأنه سائل لا تكون علاقته بـ F / S ثابتة. بمعنى آخر ، عندما يتنوع معدل القص ، لا يختلف إجهاد القص بنفس النسبة (أو حتى في نفس الاتجاه بالضرورة). لذلك سوف تتغير لزوجة هذه السوائل مع تغير معدل القص. وبالتالي ، فإن المعلمات التجريبية لنموذج مقياس اللزوجة والمغزل والسرعة لها تأثير على اللزوجة المقاسة للسائل غير النيوتوني. تسمى هذه اللزوجة المقاسة اللزوجة الظاهرية للسائل وتكون دقيقة فقط عند توفير معلمات تجريبية واضحة ومراعاتها.

يمكن اعتبار التدفق غير النيوتوني من خلال اعتبار أي سائل مزيجًا من جزيئات ذات أشكال وأحجام مختلفة. عندما تتقاطع ، كما يحدث أثناء التدفق ، سيحدد حجمها وشكلها وتماسكها القوة اللازمة لتحريكها. في كل معدل قص محدد ، قد تكون المحاذاة مختلفة وقد تكون هناك حاجة إلى قوة أكثر أو أقل للحفاظ على الحركة.

هناك عدة أنواع من سلوك التدفق غير النيوتوني ، تتميز بكيفية تغير لزوجة المائع استجابة للتغيرات في معدل القص. تشمل الأنواع الأكثر شيوعًا للسوائل غير النيوتونية التي قد تواجهها ما يلي:

البلاستيك الكاذب

سيظهر هذا النوع من السوائل لزوجة متناقصة مع زيادة معدل القص ، كما هو موضح في الشكل أدناه. من المحتمل أن تكون أكثر السوائل غير النيوتونية شيوعًا ، وتشمل المواد البلاستيكية الكاذبة الدهانات والمستحلبات والمشتتات من العديد من الأنواع. يشار إلى هذا النوع من سلوك التدفق أحيانًا باسم ترقق القص.

اتساع

إن اللزوجة المتزايدة مع زيادة معدل القص يميز مائع التمدد ؛ انظر الشكل أدناه. على الرغم من ندرة اللدونة الكاذبة ، إلا أن التمدد يُلاحظ بشكل شائع في السوائل التي تحتوي على مستويات عالية من المواد الصلبة المنكمشة ، مثل الحمأة الطينية ، ومركبات الحلوى ، ونشا الذرة في الماء ، ومخاليط الرمل. / الماء. يشار أيضًا إلى التمدد بسلوك تدفق القص المتدفق.

بلاستيك

هذا النوع من السوائل يتصرف مثل مادة صلبة في ظل ظروف ثابتة. يجب تطبيق بعض القوة على السائل قبل إحداث التدفق ؛ هذه القوة تسمى قيمة المرونة. كاتشب الطماطم مثال جيد على هذا النوع من السوائل. غالبًا ما تتسبب قيمة أدائه في رفض السكب من الزجاجة حتى تهتز الزجاجة أو تطرق ، مما يسمح للكاتشب بالتدفق بحرية. بمجرد تجاوز حد التدفق وبدء التدفق ، يمكن للسوائل البلاستيكية أن تظهر خصائص التدفق النيوتونية أو البلاستيكية الكاذبة أو المتوسعة. انظر الشكل أدناه.

حتى الآن ، ناقشنا فقط تأثير معدل القص على السوائل غير النيوتونية. ماذا يحدث عندما يؤخذ عنصر الوقت بعين الاعتبار؟ يقودنا هذا السؤال إلى دراسة نوعين آخرين من التدفقات غير النيوتونية: متغيرة الانسيابية والتدفقات الأنفية.

الهيكل العظمي والتجميل

تظهر بعض السوائل تغيرًا في اللزوجة بمرور الوقت في ظل ظروف معدل القص الثابت. هناك فئتان يجب مراعاتهما:

متغيرة الانسيابية

كما هو مبين في الشكل أدناه ، يخضع السائل متغير الانسيابية لانخفاض في اللزوجة بمرور الوقت ، بينما يتعرض لقص ثابت.

التهاب المفاصل

هذا هو عكس السلوك المتغير الانسيابية ، حيث تزداد لزوجة المائع بمرور الوقت حيث يتم قصه بمعدل ثابت. انظر الشكل أدناه.

يمكن أن يحدث تسييل الانسياب و rheopexy بالاقتران مع أي من سلوكيات التدفق التي تمت مناقشتها سابقًا ، أو فقط بمعدلات قص معينة. عنصر الوقت متغير للغاية ؛ في ظل ظروف القص الثابت ، ستصل بعض السوائل إلى قيمة اللزوجة النهائية في غضون ثوانٍ ، بينما قد يستغرق البعض الآخر عدة أيام.

نادرا ما توجد سوائل مقلة للعظام. ومع ذلك ، كثيرًا ما يُلاحظ تسييل الانسياب في مواد مثل الشحوم وأحبار الطباعة الثقيلة والدهانات.

عند تعريضه لمعدلات قص متفاوتة ، يتفاعل مائع متغير الانسيابية كما هو موضح في الشكل أدناه. تم عمل مخطط لإجهاد القص مقابل معدل القص عندما تمت زيادة معدل القص إلى قيمة معينة ثم انخفض على الفور إلى نقطة البداية. لاحظ أن المنحنيات العلوية والسفلية لا تتطابق. تحدث حلقة التباطؤ هذه بسبب انخفاض لزوجة السائل مع زيادة وقت القص. قد تكون هذه التأثيرات قابلة للعكس وقد لا تكون كذلك ؛ بعض السوائل المتغيرة الانسيابية ، إذا تُركت للوقوف لفترة من الوقت ، ستعود إلى لزوجتها الأصلية ، في حين أن البعض الآخر لن يفعل ذلك أبدًا.

يمكن أن يكون للسلوك الريولوجي للسائل ، بالطبع ، تأثير عميق على تقنية قياس اللزوجة. سنناقش لاحقًا بعض هذه الآثار وطرق التعامل معها.

التدفق الصفيحي والمضطرب

يشير تعريف اللزوجة ذاته إلى وجود ما يسمى بالتدفق الرقائقي: حركة طبقة واحدة من السائل أمام الأخرى دون نقل المادة من واحدة إلى أخرى. اللزوجة هي الاحتكاك بين هذه الطبقات.

اعتمادًا على عدد من العوامل ، هناك سرعة قصوى معينة يمكن أن تتحرك بها طبقة من السائل بالنسبة إلى طبقة أخرى ، والتي يحدث بعدها انتقال حقيقي للكتلة. وهذا ما يسمى بالاضطراب. تقفز الجزيئات أو الجزيئات الأكبر من طبقة إلى أخرى وتبدد كمية كبيرة من الطاقة في هذه العملية. والنتيجة النهائية هي أن هناك حاجة إلى المزيد من مدخلات الطاقة للحفاظ على هذا التدفق المضطرب أكثر من التدفق الصفحي بنفس السرعة.

تتجلى زيادة مدخلات الطاقة من خلال إجهاد القص أكبر على ما يبدو من ذلك الذي يمكن ملاحظته في ظل ظروف التدفق الصفحي بنفس معدل القص. ينتج عن هذا قراءة خاطئة لزوجة عالية.

تعتمد النقطة التي يتطور عندها التدفق الصفحي إلى تدفق مضطرب على عوامل أخرى غير السرعة التي تتحرك بها الطبقات. تؤثر كل من لزوجة المادة وكثافتها وكذلك هندسة محور مقياس اللزوجة وحاوية العينة على النقطة التي يحدث فيها هذا الانتقال.

يجب توخي الحذر للتمييز بين ظروف التدفق المضطرب وسلوك التدفق الواسع. بشكل عام ، ستظهر المواد الموسعة لزوجة متزايدة باستمرار مع زيادة معدل القص ؛ يتميز التدفق المضطرب بزيادة مفاجئة وكبيرة نسبيًا في اللزوجة فوق معدل قص معين. يمكن أن يكون سلوك تدفق المادة نيوتونيًا أو غير نيوتوني أسفل هذه النقطة.

نظرًا لمعدلات القص المنخفضة نسبيًا التي تعمل بها معظم أجهزة قياس اللزوجة في Brookfield ، فمن غير المرجح أن تواجه تدفقًا مضطربًا ما لم تقيس اللزوجة أقل من 15 سنتي بواز باستخدام مقياس اللزوجة من سلسلة LV أو 85 سنتي بواز مع طرز أخرى. كلما زادت لزوجة المائع ، قل احتمال تعرضه للاضطراب. إذا لوحظ اضطراب عند قياس السوائل منخفضة اللزوجة ، فيمكن غالبًا التخلص منه باستخدام ملحق UL Adapter ™.

ما الذي يؤثر على الملكية الريولوجية؟

غالبًا ما تعمل بيانات اللزوجة "كنافذة" يمكن من خلالها ملاحظة الخصائص الأخرى للمادة. يتم قياس اللزوجة بسهولة أكبر من بعض الخصائص التي تؤثر عليها ، مما يجعلها أداة قيمة لتوصيف المواد. في وقت سابق من هذا الفصل ، ناقشنا أنواعًا مختلفة من السلوك الريولوجي وكيفية التعرف عليها. بعد تحديد سلوك ريولوجي معين في مادة ما ، قد تتساءل عما تشير إليه هذه المعلومات بشأن خصائصها الأخرى. تم تصميم هذا القسم ، استنادًا إلى المعلومات المستقاة من سنوات من تجربة العملاء ، ليكون بمثابة "دغدغة" لتجعلك تفكر في الألغاز التي يمكن أن يساعدك مقياس اللزوجة في حلها.

درجة حرارة

تعتبر درجة الحرارة من أكثر العوامل وضوحًا التي يمكن أن تؤثر على السلوك الريولوجي للمادة. بعض المواد حساسة جدًا لدرجة الحرارة ، وسيؤدي التغيير الصغير نسبيًا إلى تغيير كبير في اللزوجة. البعض الآخر غير حساس نسبيًا. يعتبر اعتبار تأثير درجة الحرارة على اللزوجة أمرًا ضروريًا في تقييم المواد التي ستتعرض لتغيرات درجة الحرارة أثناء الاستخدام أو المعالجة ، مثل زيوت المحرك والشحوم والمواد اللاصقة.

معدل القص

تميل السوائل غير النيوتونية إلى أن تكون القاعدة وليست الاستثناء في العالم الحقيقي ، مما يجعل تقدير تأثيرات معدل القص ضرورة لأي شخص يشارك في التطبيق العملي للبيانات الريولوجية. على سبيل المثال ، سيكون من الكارثي محاولة ضخ سائل يتمدد من خلال نظام ، بحيث يتصلب داخل المضخة ، مما قد يوقف العملية برمتها فجأة. على الرغم من أن هذا مثال متطرف ، لا ينبغي التقليل من أهمية تأثيرات معدل القص.

عندما تخضع مادة ما لمعدلات قص مختلفة أثناء المعالجة أو الاستخدام ، فمن الضروري معرفة لزوجتها بمعدلات القص المتوقعة. إذا لم تكن هذه معروفة ، يجب عمل تقدير. يجب بعد ذلك إجراء قياسات اللزوجة بمعدلات قص قريبة قدر الإمكان من القيم المقدرة.

غالبًا ما لا يكون من الممكن تقريب قيم معدل القص المتوقعة أثناء القياس بسبب هذه القيم التي تقع خارج نطاق معدل القص لمقياس اللزوجة. في هذه الحالة ، من الضروري إجراء قياسات بمعدلات قص متعددة واستقراء البيانات إلى القيم المتوقعة. إنها ليست الطريقة الأكثر دقة للحصول على هذه المعلومات ، ولكنها غالبًا البديل الوحيد المتاح ، خاصةً عندما تكون معدلات القص المتوقعة عالية جدًا. في الواقع ، يُنصح دائمًا بإجراء قياسات اللزوجة بمعدلات قص متعددة للكشف عن السلوك الريولوجي الذي قد يكون له تأثير على العلاج أو الاستخدام. عندما تكون قيم معدل القص غير معروفة أو غير مهمة ، غالبًا ما تكون عينة من اللزوجة مقابل rpm في الدقيقة كافية.

من الأمثلة على المواد المعرضة والمتأثرة بالتغيرات الكبيرة في معدل القص أثناء المعالجة والاستخدام: الدهانات ، ومستحضرات التجميل ، واللاتكس السائل ، والطلاء ، وبعض المنتجات الغذائية ، والدم في الدورة الدموية للإنسان. يوضح الجدول التالي أمثلة نموذجية لمعدلات القص المتغيرة.