Філіппа Кренуелл і Сара Коттс (TA Instruments)
Переклад і підготовка: ЛЕМ Україна
Якщо Ви працюєте з плинними матеріалами, наприклад, у фармацевтичній, харчовій, косметичній або нафтохімічній промисловості, то Ваша лабораторія, найімовірніше, має віскозиметр, який є незамінним приладом для тестування рецептур і контролю якості. Однак, чи цей віскозиметр дає Вам повну картину властивостей, та чи повністю він відповідає Вашим потребам? Подібно до того, як айсберг показує лише 10% свого об’єму над водою, віскозиметр відображає лише невелику частку властивостей матеріалу. Іноді цього достатньо, але є випадки, коли реометр надаватиме значну перевагу, зберігаючи Ваш час, гроші та зусилля в довгостроковій перспективі.
Розглянемо ключові переваги, які можна отримати при використанні реометра замість віскозиметра, а також відмінності кожного приладу та приклади ситуацій, коли реометр надавав важливі дані, які не зміг забезпечити віскозиметр.
Віскозиметр проти реометра: в чому різниця?
Перш ніж розглядати відмінності в роботі віскозиметра та реометра важливо зрозуміти, що саме кожен з них вимірює. Віскозиметр характеризує в’язкість рідини при одному значенні швидкості зсуву, і, таким чином, видає одне значення в’язкості. Це основний недолік: часто швидкість зсуву, при якій вимірюється конкретне значення коефіцієнту в’язкості, не записується, тоді як при роботі з неньютонівськими рідинами (як-от креми або емульсії), в’язкість яких залежить від швидкості зсуву, отримані значення можуть бути неточними або невідтворюваними.
Реометр, навпаки, вимірює, як саме рідина плине у відповідь на прикладене напруження, і він може достовірно охоплювати широкий діапазон швидкостей зсуву, зазвичай від 0,001 с-1 до 1000 с-1. Фактично, можливість працювати з малими швидкостями зсуву дозволяє зрозуміти поведінку матеріалів у стані спокою – властивість, яка може значною мірою впливати на стабільність гетерогенних матеріалів, сприйняття споживчих продуктів (наприклад, продуктів харчування або засобів особистої гігієни), а також, найголовніше, яка дає уявлення про мікроструктуру матеріалу, що впливає на його експлуатаційні характеристики й поведінку.
Реометр може продемонструвати, яким чином коефіцієнт в’язкості змінюється в різних ситуаціях, а не лише в одній точці.
Згідно з вищенаведеною аналогією, реометр може дати інформацію про весь айсберг, тоді як віскозиметр лише про приблизно 10%, що знаходяться над водою. Хоча іноді цього достатньо, але додаткові дані, отримані в результаті ретельного реологічного оцінювання, можуть виявити важливі відмінності між зразками, а також дозволити промоделювати цілу низку процесів, через які продукт може проходити або під час виготовлення, або при його використанні кінцевим споживачем, як це показано на Рисунку 1.
Рисунок 1. Схематичний вигляд діапазону швидкостей зсуву в процесах, які можна моделювати за допомогою реометра. Також виділено вузький діапазон швидкостей зсуву, доступних для віскозиметра
Реометр: прецизійна інженерія для прецизійного вимірювання
В той час, як віскозиметр може забезпечити прості вимірювання для ньютонівських рідин (коефіцієнт в’язкості не залежить від швидкості зсуву), реометр надає можливість поглиблено вивчити характеристики плинності та деформації як ньютонівських, так і неньютонівських рідин. Основна причина суттєвої різниці між експлуатаційними характеристиками віскозиметра та реометра полягає в особливостях механіки приладу. Віскозиметр використовує механічну вальницю, яка обмежує його можливості щодо швидкості та крутного моменту, і тому матеріал можна досліджувати лише в дуже вузькому їхньому діапазоні. Навпаки, реометр використовує вдосконалений двигун і вальницю з низьким коефіцієнтом тертя, що забезпечує неперевершені керування деформацією та чутливість по крутному моменту. Наприклад, Discovery Hybrid Rheometer використовує унікальну вальницю з магнітною левітацією, що ще більше знижує тертя та покращує чутливість при вимірюваннях низького крутного моменту. Це дозволяє проводити точні дослідження плинності навіть в умовах дуже слабкого зсуву, що наприклад, має місце при вирівнюванні фарби після нанесення або при осадженні в суспензії.
Реометр вимірює більш ніж просто коефіцієнт в’язкості!
Хоча реометри визначають в’язкість (тобто те, як матеріал плине), вони також можуть визначати в’язкопружність, яка є важливим атрибутом складних рідин, як-от емульсій, дисперсних систем, полімерів, гелів, паст, проте часто на неї не звертають уваги. Дані щодо в’язкопружності можуть надати інформацію про те, наскільки сильно матеріал може деформуватися, згинатися або стискатися перш ніж його структура буде зруйнована та виникнуть необернені пошкодження.
Для яких типів матеріалів реометр буде корисним?
При дослідженні рідини важливо розуміти, чи вона ньютонівська, чи неньютонівська. Ньютонівські рідини мають постійний коефіцієнт в’язкості незалежно від прикладеної швидкості зсуву, як-от вода або мед. Вимірювання коефіцієнту в’язкості при декількох швидкостях зсуву дозволяють в подальшому екстраполювати його при вищих або нижчих значеннях швидкості зсуву, і в цих випадках віскозиметр, ймовірно, забезпечить необхідні результати.
Для неньютонівської рідини коефіцієнт в’язкості залежить від прикладеної швидкості зсуву: неможливо точно визначити в’язкість неньютонівської рідини, не знаючи швидкість зсуву. Більшість промислових матеріалів є неньютонівськими рідинами, зокрема косметичні креми, фармацевтичні рецептури, покриття, мастильні матеріали та харчові продукти. Фактично, їхня неньютонівська поведінка є бажаної властивістю. Так, в’язкість лосьйонів і кремів зменшується, коли вони рухаються швидше (псевдопластичність), наприклад, під час розпилення або нанесення. Іншими словами, вони добре плинуть й придатні для роботи. Однак, високий коефіцієнт в’язкості при низьких швидкостях потоку сприяє їхній стабільності. Псевдопластичність – гарна річ, оскільки вона означає, що в стані спокою матеріали залишаються на місці, але коли потрібно, щоб вони рухались, вони роблять це з легкістю.
Демонстрація цінності реометра: Косметичні креми
Косметичні продукти, як-от крем для обличчя, сонцезахисний крем, туш або шампунь, зберігаються на полиці в баночках і використовуються лише один або два рази на день. З точки зору реології, ці матеріали проводять більшу частину часу “в стані спокою”, оскільки до них не прикладається зовнішня сила, або зсув, Рисунок 2. Коли виникає зсув, чи то в результаті перемішування при транспортуванні, чи то в процесі оброблення на заводі, чи то при використанні споживачем, зразок починає рухатись, а в’язкість змінюється. Різні значення коефіцієнту в’язкості внаслідок різних швидкостей зсуву можуть мати значний вплив на продукт:
- якщо в’язкість при нульовому зсуві занадто мала, то може відбуватись осадження або розділення компонентів;
- низька в’язкість при нульовому зсуві може викликати у споживача відчуття ніби то продукт є “рідким” або “менш розкішним” в порівнянні з конкурентом;
- коли в’язкість є вищою або нижчою, нанесення на шкіру (коли зсув створює споживач) може призводити до відчуття, ніби то продукт або є рідким та низькоякісним, або являє собою густу пасту, що відчувається тягучою.
Рисунок 2. Гіпотетичні дані по крему для обличчя, що демонструють, як саме швидкість зсуву впливає на в’язкість. Реометр повинний бути здатним спостерігати всі показані режими, тоді як віскозиметр відображатиме лише виділену центральну частину
Демонстрація цінності реометра: Оптимізація рідкого емульсійного клею для високошвидкісного нанесення покриття
У цьому прикладі реометр виробництва TA Instruments було використано для з’ясування причин того, чому одна рецептура рідкого емульсійного клею, розробленого для високошвидкісного нанесення покриття, виявилася значно гіршою по ефективності в порівнянні з конкурентом. Ця мала ефективність призвела до утворення прогалин на металевій підкладці та до зростання кількості випадків порушення адгезії, Рисунок 3a.
Хоча віскозиметр зміг показати різницю між зразками по коефіцієнтах в’язкості, але він не забезпечив даних ані для високої, ані для низької швидкостей зсуву. Тільки використання реометру дозволило виявити, що продукт-конкурент мав в 8 разів вищій коефіцієнт в’язкості при нульовому зсуві. Це було ключовим фактором: вища в’язкість при нульовому зсуві означала, що продукт-конкурент після осадження не розтікався, а залишався на місці.
Рисунок 3. (a) Схематичний вигляд різниці в поведінці між рецептурою 1 та конкурентом. (b) Залежність коефіцієнту в’язкості від швидкості зсуву для продукту-конкурента, рецептури 1 та рецептури 2
Інші можливості реометра в режимі плину
Окрім очевидної переваги з точки зору доступного діапазону швидкостей зсуву, реометр також дозволяє точно вимірювати коефіцієнт в’язкості в діапазону температур (-40 … 200) °C лише за допомогою нагрівної або охолоджувальної системи з елементами Пельтьє. З віскозиметром це надзвичайно складно зробити через необхідність використання зразка великого об’єму та ризик нерівномірного нагрівання.
Здатність вивчати в’язкість у широкому діапазоні температур особливо корисна для таких матеріалів, як олії, пластики, смоли чи мастильні речовини, оскільки це дозволяє моделювати їхню поведінку у високотемпературних промислових процесах, або для матеріалів, що демонструють склування. Зокрема, серія Discovery Hybrid Rheometer відрізняється технологією Smart SWAP, яка надає легкий доступ до низки умов і додаткових пристроїв для моделювання ситуацій, в яких може використовуватися зразок.
Замість висновків: Запитання (З) і відповіді (В)
З: Що таке реометр?
В: Реометр – це науковий прилад, що використовується для вимірювання реакції матеріалів на прикладені сили, надаючи детальне уявлення про плинність та деформацію рідин і пластичних твердих тіл. Реометри дозволяють оцінювати такі складні характеристики, як в’язкість, пружність і напруження, що робить їх незамінними для дослідження матеріалів, які виявляють більше, ніж просто плинність, таких як полімери, гелі та суспензії.
З: Що вимірюють реометри?
В: Реометри вимірюють багато властивостей матеріалу, в тому числі в’язкість, пружність, напруження зсуву та деформацію. На відміну від віскозиметрів, які вимірюють коефіцієнт в’язкості лише в одному стані, реометри можуть аналізувати матеріали в умовах з різними напруженнями та деформаціями, надаючи повну картину поведінки матеріалу під дією різних сил. Це робить реометри цінними для тестування матеріалів, які змінюють властивості з часом або при різних умовах оточуючого середовища.
З: В чому відмінність реометра від віскозиметра?
В: Хоча обидва типи приладів використовуються для вимірювання характеристик плинності матеріалів, основна відмінність полягає в їх можливостях. Віскозиметр вимірює в’язкість для однієї умови спостереження плинності, надаючи дані про те, наскільки густою або рідкою є рідина. Зі свого боку, реометр дозволяє більш повний аналіз, вимірюючи як в’язкість, так і додаткові характеристики, як-от пружність, напруження та деформацію в певному діапазоні умов спостереження плинності. Якщо Ви розглядаєте лише в’язкість, то віскозиметра, ймовірно, буде достатньо. Однак, якщо Вам необхідно зрозуміти поведінку матеріалу в умовах, що розрізняються по напруженню зсуву, деформації або змінам температури, то реометр, такий як ARES-G2 або HR-30 від TA Instruments, був би кращим вибором.
З: Чому мені слід розглянути придбання реометру замість віскозиметру?
В: Реометр пропонує значно ширші можливості в порівнянні з віскозиметром. Якщо Ви працюєте зі складними рідинами, як-от полімери, гелі, гідросуміші або біологічні матеріали, то реометр дозволяє Вам аналізувати ті властивості матеріалів, які не може віскозиметр, наприклад, псевдопластичність, в’язкопружність і тиксотропію. Це робить реометри більш універсальними та придатним для поглиблених досліджень і контролю якості для широкому набору галузей, зокрема, фармацевтики, броматології та матеріалознавства.
З: Які додаткові можливості надає реометр порівняно з віскозиметром?
В: Реометр дозволяє спостерігати поведінку матеріалу в умовах з різним напруженням, деформацією та зсувом, надаючи розуміння щодо плинності та деформації. Наприклад, реометр ARES-G2 дозволяє всебічно аналізувати лінійну та нелінійну в’язкопружність, повзучість і релаксацію напруження. Реометр HR-30 забезпечує неперевершену прецизійність при визначенні характеристик псевдопластичності, границі плинності та динамічних модулів. Ці розширені спроможності дозволяють дослідникам в повній мірі визначати характеристики матеріалів, поведінка яких залежить від часу, чого не дозволяє зробити стандартний віскозиметр.
З: Кому найбільш вигідно використовувати реометр замість віскозиметра?
В: Від використання реометру найбільшу користь мають галузі промисловості та науки, пов’язані зі складними рідинами, пластичними твердими тілами або матеріалами, що змінюють свої властивості при різних умовах. Наприклад, дослідники-фармацевти можуть вивчати плинність лікарських рецептур при різних напруженнях, тоді як матеріалознавці можуть аналізувати полімери для виробництва. Реометри забезпечуючи набагато більше, ніж просто вимірювання в’язкості, ідеально підходять для тих, кому потрібно розуміти пружність, структурну цілісність або залежну від часу плинність.
З: Які типи матеріалів можна випробувати за допомогою реометра, з якими віскозиметр може погано працювати?
В: Реометри можуть впоратися з широким спектром матеріалів, включаючи в’язкопружні тверді тіла, гелі, піни, гідросуміші та біологічні зразки, які можуть не підходити для віскозиметра. Наприклад, реометр ARES-G2 особливо добре підходить для випробування складних матеріалів, що демонструють як в’язку, так і пружну поведінку. Реометр HR-30 підходить для зразків невеликого об’єму, а також для вимірювань з високою прецизійністю, що робить його ідеальним для випробування крихких біологічних зразків і високоефективних полімерів, які потребують поглибленого аналізу характеристик.
З: Чому реометр є більш цінним для наукових досліджень у порівнянні з віскозиметром?
В: Реометр не просто вимірює загальний коефіцієнт в’язкості, але він також надає дані стосовно пружності, модулів, границі плинності та динамічного відгуку, що є вирішальним для розуміння експлуатаційних характеристик матеріалу в реальних застосуваннях. Інвестуючи в такий реометр, як ARES-G2 або HR-30, дослідники можуть вивчати повний реологічний профіль матеріалу, отримуючи уявлення про те, як саме він поводитиметься при різних умовах оброблення, напруженнях або змінах температури. Це робить реометри більш цінними з точки зору здійснення всебічних досліджень, які дозволяють покращити розробку, оптимізацію та контроль якості матеріалів.
З: У яких галузях реометри є особливо корисними?
В: Реометри необхідні в таких галузях промисловості, де критичним є розуміння повної механічної поведінки матеріалів. Сюди входять наступні сектори.
- Фармацевтика: Випробування лікарських рецептур, суспензій та гелів.
- Полімери та пластики: Дослідження характеристик плинності та деформації полімерів в умовах з різними напруженнями.
- Продукти харчування та напої: Визначення характеристик плинності та структури харчових продуктів.
- Косметика: Визначення стабільності та здатності до нанесення кремів, лосьйонів і гелів.
- Енергетика та довкілля: Аналіз складних рідин, гідросумішей та емульсій для застосування в нафтогазовій промисловості й в задачах охорони довкілля.
Для цих застосувань реометр забезпечує глибокий аналіз, який дозволяє вдосконалити склад продукції, отримати ліпші експлуатаційні характеристики та покращити стабільність, чого, для порівняння, не дозволяє робити віскозиметр.
З: Які реометри від TA Instruments мені слід розглянути для поглибленого тестування матеріалів?
В: TA Instruments пропонує декілька передових реометрів, включно з ARES-G2 та HR-30. Реометр ARES-G2 є ідеальним для комплексних реологічних випробувань, забезпечуючи прецизійне керування напруженням і деформацією для матеріалів, які потребують поглибленого тестування, таких як полімери, гелі та еластомери. Реометр HR-30 забезпечує високу прецизійність, що особливо підходить для зразків з невеликими об’ємами, а також для випробувань, які потребують високої чутливості. Він є ідеальним для біологічних зразків, фармацевтичних препаратів і матеріалів з високими вимогами щодо визначення характеристик.
З: Які переваги реометра над віскозиметром в довгостроковій перспективі?
В: Інвестування в реометр дає вам можливість виконувати ширший набір випробувань й отримувати більш повні дані про Ваші матеріали, зрештою заощаджуючи час і ресурси в довгостроковій перспективі. Реометри є універсальними приладами, які з часом можна адаптувати під різні дослідницькі задачі, зменшуючи потребу в кількох пристроях. Для підприємств і дослідницьких лабораторій це означає більшу гнучкість, покращене розроблення продукції та більш ефективне прийняття рішень на основі глибшого розуміння матеріалів.
