はじめに
コーン/プレート型や円筒型など、均一なせん断速度プロファイルを形成する形状は、せん断粘度の絶対値が得られるため、回転測定に適しています。試料に加わるせん断速度とせん断応力は、それぞれ変位とトルクの測定ギャップを使用して明確に定義されます。
しかし、沈殿が生じたり、試料にlarge サイズの粒子が含まれている場合など、さまざまな材料がこのような形状では測定できません。このような場合でも、「相対」形状を使用すれば粘度の測定は可能です。この形状は、せん断速度のプロファイルが完全には均一でないため、このように名付けられました。
図1は、このような形状の1つである。ツインオービタルボールは、large 粒子を含むことが多い建築材料の測定用に開発されました。
ツインオービタルボールと同じ装置を用いて2つの試料で実施した測定は、互いに比較することができる。しかし、不均一なせん断場が適用されるため、100％正しい測定値ではないことに留意する必要がある。
以下の議論では、アブソリュート・ジオメトリーで行った測定と、ツイン・オービタル・ボールで行った測定を比較する。
測定パラメータ
ツインオービタルボール（相対形状）とコーン/プレートシステム（絶対形状）を用いて、壁塗料の回転（粘度）測定を行った。
試験に使用した条件を表1にまとめました。
すべてのレオメーターにおいて、トルクや変位などの装置パラメータを応力やせん断速度に変換する変換係数として形状定数が使用されています。コーンおよびプレートの場合、これらの定数は明確に定義されています1。ツインオービタルボールのような相対的なジオメトリの場合は、絶対的なジオメトリに近い一致を得るために別の手順2が使用されます。
1Macosko CW: Rheology Concepts, Principles and Applications, Wiley-VCH (1992)
2 Duffy JJ, Hill AJ, Murphy SH: Simple method for determining stress and strain constants for non-standard measuring systems on a rotational rheometer, Appl. Rheol.25 (2015) 42670
表1：テスト条件
| 試料 | 壁用塗料 | |
| デバイス | キネクサス・ウルトラ＋（Kinexus ultra +) | |
| 形状 | アブソリュートCP1/40 (コーンプレート、直径：40 mm、コーン角度：1°）。 | ツインオービタルボール |
| ギャップ | 26 μm | 1 mm (ボールとカップ底部間の距離） |
| せん断速度 | 0.1～100 s-1 | |
測定結果
図2は、0.1～100 s-1の定常粘度測定における2つの測定結果の曲線を示している。
この曲線は、30年間のせん断速度にわたって、ツインオービタルボールで得られたせん断粘度値とコーン/プレートシステムによる測定値との間に良好な一致を示している。
結論
コーン/プレート形状のような絶対形状は、せん断粘度値を得るための最初の選択肢です。しかし、試料が非常に不安定な場合、すなわち沈降や分離が起こる場合、または試料にlarge 粒子が含まれている場合、せん断粘度値が代表的な値にならないため、絶対形状は適していません。ツインオービタルボールは、レオロジー試験中の試料の粘度について、より一貫性のある代表的な情報を提供します。この例では、ツインオービタルボール形状を用いた測定により、材料の代表的なせん断粘度値が得られることが示されました。