Въведение
С вискозитетното измерване се определя вискозитетът на срязване на даден материал. При този вид изпитване пробата се поставя между две плочи. Горната плоча се върти с определена скорост на срязване (или напрежение на срязване), вж. фигура 1. Скоростта на срязване се определя, като се използва ъгловата скорост V на горната плоча, както и разстоянието h между двете плочи. Напрежението на срязване, необходимо за предизвикване на тази скорост на срязване, се изчислява с помощта на приложения въртящ момент F.
Такова измерване може да се извърши с контрол на скоростта на срязване, както е обяснено по-горе, или с контрол на напрежението на срязване.
В този случай се прилага напрежението на срязване и се определя скоростта на срязване.
Независимо от режима на управление, определянето на вискозитета на срязване е възможно по следната формула:
Диапазонът на скоростта на срязване при такова измерване е ограничен. Ако центробежната сила (стремяща се да придвижи материала навън) надвиши нормалната сила (която избутва горната геометрия нагоре), пробата може да бъде изхвърлена от измервателната междина. В този случай получената крива на вискозитета трябва да се оценява много внимателно. Кривата на напрежението на срязване е един от показателите, показващи нейната валидност. Тъй като то винаги трябва да нараства с увеличаване на скоростта на срязване, намаляването на напрежението на срязване показва границата на измервателния обхват.
На фигура 2 е показан пример за такова поведение. Тук е измерена полимерна стопилка (ПЕЕК) при ротация между 0,1 и 100 s-1. Намаляването на напрежението на срязване от 50 s-1 показва изхвърляне на пробата (известно също като счупване на пробата), тъй като напрежението на срязване започва да спада в този момент. Следователно стойностите на вискозитета над тази скорост на срязване не са валидни и представителни за пробата.
Как да постигнем вискозитет при срязване при по-високи скорости на срязване?
Лесен начин за получаване на резултати при скорости на срязване, по-високи от 50 s-1 (в ротационен реометър), е да се използва правилото на Кокс-Мерц. Тази емпирична зависимост гласи, че за повечето незапълнени полимерни стопилки вискозитетът на срязване η може да се предскаже чрез комплексния вискозитет η*. Алтернативно решение за измерване на поведението на потока при по-бързи условия на обработка или по-високи скорости на срязване може да се постигне с използването на капилярен реометър за високо налягане.
Какво представлява комплексният вискозитет?
Комплексният вискозитет се получава чрез измерване на осцилации. При това изпитване горната геометрия вече не се върти, а осцилира с определена честота (фигура 3).
Разликата (забавяне/фаза δ) във входния и изходния синусоидален сигнал определя свойствата на материала на пробата (фигура 4). Тези измервания се извършват за амплитуди, които са small достатъчно, за да не разрушат структурата на образеца, така че приложената деформация и резултантното напрежение да са пропорционални и честотата на реакцията да е равна на тази на входната честота.
Чрез този вид изпитване се определят количествено вискоеластичните свойства на материала, например неговата твърдост1, изразена чрез така наречения комплексен модул G*. Комплексният вискозитет, η*, е:
Комплексен вискозитет и вискозитет на срязване: Правилото на Кокс-Мерц
Правилото на Кокс-Мерц може да се обобщи чрез следната зависимост:
Изразено с думи, това означава, че резултатът от вискозитета на срязване като функция на скоростта на срязване (получен чрез въртене) е еквивалентен на резултата от комплексния вискозитет като функция на ъгловата честота (получен чрез осцилация). Следователно е възможно да се получи вискозитет на срязване за скорости на срязване, по-високи от границата на измерване чрез въртене, която е 50 s-1 за примера, представен в тази статия.
На фигура 5 са показани резултатите от измерванията на ротацията и осцилациите за пробата от PEEK, представени като функция на скоростта на срязване и ъгловата честота в една и съща скала. Обикновено такива криви се изобразяват само като функция на скоростта на срязване със забележка към правилото на Кокс-Мерц. Резултатите, представени на фигура 5, показват, че в долния диапазон на скоростта на срязване комплексният вискозитет и вискозитетът при срязване са в добро съответствие. При по-високи скорости на срязване се получава по-точна стойност на вискозитета на срязване, като се използва правилото на Кокс-Мерц върху комплексния вискозитет (оранжева линия). По-ясно изразеното намаляване на вискозитета на срязване (синята линия) се дължи на разрушаването на пробата, както е обяснено по-горе.
Заключение
Показаният пример показва добро съответствие между вискозитета при срязване и комплексния вискозитет в диапазона на ниската скорост на срязване. Веднага щом материалът започне да изтича от междината по време на въртене, вискозитетът вече не може да се определи чрез този вид измерване. Правилото на Кокс-Мерц обаче дава възможност за определяне на стойностите на вискозитета на срязване чрез измерване на осцилации.