DE69222427T2

DE69222427T2 - Vorrichtung zur bestimmung der viskoelastischen eigenschaften von flüssigkeiten und methode zu deren anwendung

Info

Publication number: DE69222427T2
Application number: DE69222427T
Authority: DE
Inventors: Hatim Motiwala; Arsdale William Van
Original assignee: University of Houston
Current assignee: University of Houston
Priority date: 1991-11-08
Filing date: 1992-11-06
Publication date: 1998-02-05
Anticipated expiration: 2012-11-07
Also published as: ATE158652T1; CA2115428C; EP0611448A4; EP0611448B1; EP0611448A1; US5253513A; CA2115428A1; JPH07504032A; DE69222427D1; AU3069592A; WO1993009419A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft Rheometer zum Analysieren des Verhaltens von dünnen Flüssigkeitsfilmen und insbesondere Rheometer zum Messen von viskoelastischen Eigenschaften von Flüssigkeiten.
Viskoelastische Eigenschaften sind wichtig bei Vorhersagen, wie sich eine Flüssigkeit unter Beanspruchung verhalten wird. Eine Kenntnis dieser Eigenschaften bekommt zunehmend Bedeutung, da die Industrie beginnt, Polymeradditive in Flüssigprodukten zu verwenden.
Rheometer bestimmen gewöhnlich viskoelastische Eigenschaften durch Scherung einer Flüssigkeitsprobe zwischen Platten. Die Platten sind durch einen festen Spalt getrennt. Eine Platte bewegt sich in bezug zur anderen durch Verschiebung oder Drehung. Die Erfindung benutzt Normalschwingungen einer Probe zwischen parallelen Platten zur Bestimmung viskoelastischer Eigenschaften. Dieser Ansatz kennzeichnet Flüssigkeiten mit einem weiten Viskositätsbereich exakt. Im Verhältnis zu Rheometern aus dem Stand der Technik läßt sich das Verfahren unter merklich geringeren Kosten inhärent einfacher verwirklichen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die viskoelastischen Eigenschaften von Fluiden preiswert, leicht und genau zu messen, indem man eine kleine Flüssigkeitsprobe zwischen zwei parallelen kreisförmigen Platten in Normalschwingungen versetzt.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, G' und G" zu messen, den Speicher- und Verlustmodul von viskoelastischen Fluiden.
Um die vorgenannten Ziele zu erreichen, wird hier ein Schwingquetschfließrheometer offenbart, wie in Patentanspruch 3 beansprucht.
Um die vorgenannten Ziele zu erreichen wird hier auch ein Verfahren zur Bestimmung von viskoelastischen Eigenschaften von Flüssigkeiten offenbart, umfassend die Schritte: Einbringen einer Flüssigkeit in Kreisform zwischen und in Kontakt mit parallelen Platten, Versetzen von einer der Platten in sinusförmige Schwingungen in einer Richtung senkrecht zur anderen Platte, Messen des Radius des Fluidkreises, Messen der Kraft der Schwingungen, Messen der Verschiebung der sich bewegenden Platte, Messen des mittleren Abstands zwischen den Platten, Messen der Frequenz der Schwingungen und Bestimmen von Fluideigenschaften auf der Grundlage dieser Messungen.
Um die vorgenannten Ziele zu erreichen, wird auch ein Verfahren zur Bestimmung von G', dem Speichermodul, und G", dem Verlustmodul, von Nichtnewtonschen Fluiden offenbart, umfassend die Schritte: Einbringen einer Flüssigkeit in Kreisform zwischen und in Kontakt mit parallelen Platten; Messen des Radius des Fluidkreises; Messen des mittleren Abstands zwischen den Platten; Aufbringen einer sinusförmig schwingenden Kraft auf eine der Platten in einer Richtung senkrecht zur anderen Platte, wobei die Kraftschwingungen eine Kraftamplitude und eine Frequenz besitzen; Messen der Kraftamplitude; Messen der Frequenz; Messen der Amplitude der Verschiebung der sich bewegenden Platte; Messen einer Phasenverzögerung zwischen der Verschiebung der sich bewegenden Platte und den Kraftschwingungen; und Bestimmen von G' und G" aus diesen Messungen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer typischen Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht der beiden Platten der Erfindung.
Fig. 3 ist eine schematische Seitenansicht des Systems, welches die vorliegende Erfindung verwendet.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Nunmehr Bezug nehmend auf die Zeichnungen, insbesondere auf Fig. 1, stellt ein Rheometer 10 eine typische Ausführungsform der beanspruchten Erfindung dar. Eine temperaturgesteuerte Platte 1 ist auf einer beweglichen Unterlageplatte 2 angebracht. Die Temperatursteuerplatte 1 ist erwünscht, um die Temperatur der Flüssigkeit konstant zu halten, so daß die Eigenschaften der Flüssigkeit stabilisiert werden. Die bewegliche Unterlageplatte 2 ist auf einem Druckluft- Linearstellglied 3 angebracht, das Ringe 4 aufweist, um die vertikale Bewegung der Unterlage zu begrenzen, während die Unterlage einer Schwingbeanspruchung unterworfen ist. Die Höhe der Temperatursteuerplatte 1 wird gesteuert, indem man Luft durch einen Luftzylinder 5 und eine Luftzufuhrleitung 6 des Stellglieds 3 pumpt oder abläßt. Eine Schwingplatte 7 ist mit einem Vibrationsmotor 8 verbunden und erstreckt sich aus diesem, so daß die Schwingplatte 7 zur Temperatursteuerplatte 1 parallel ist. Ein berührungsloser Verschiebungssensor 9 ist am Vibrationsmotor 8 angebracht. Der mittlere Abstand h zwischen der Temperatursteuerplatte 1 und der Schwingplatte 7 wird durch Einstellung eines Gleichstrom-Offset am Motor 8 gesteuert. Der mittlere Abstand h&sub0; wird festgelegt, indem man eine Abstandhalterplatte verwendet, um den Spalt in einer bestimmten Position zu fixieren. Die Steuerplatte 1 und die Schwingplatte 7 sind kreisförmig
Fig. 2 zeigt die bei der vorliegenden Erfindung betrachtete Fließgeometrie. Die obere Platte 7 besitzt einen Radius R. Diese Platte bewegt sich ansprechend auf eine sinusförmige Kraft F mit einer Amplitude F&sub0; und einer Frequenz ω gemäß der folgenden Formel:
F(t) = F&sub0; sin (ωt) (1)
Der resultierende Spalt, ausgedrückt durch den Mittelwert h und die aufgezwungene Schwingung x(t), wird durch die Formel angegeben:
h(t) = h&sub0; + x(t) (2)
Diese Bewegung bewirkt, daß ein Fluid mit konstanter Viskosität µ und Dichte auf die obere Platte die in der folgenden Formel angegebene Kraft Fn ausübt:
Einen ähnlichen Ausdruck erhält man für viskoelastische Fluide, wobei G' und G" den Speicher- und Verlustmodul bezeichnen:
Der vorangehende Ausdruck setzt voraus an, daß die Amplitude der aufgezwungenen Schwingungen klein ist im Vergleich zum mittleren Spalt, der ebenfalls klein ist im Vergleich zum Plattenradius (x « h&sub0; « R). Man bemerke, daß die Formel 3 ein Spezialfall der Formel (4) ist, in der G' = 0 und µ = G"/ω ist.
Der Vibrationsmotor 8 und die daran befestigte Platte sind als ein System zweiter Ordnung gestaltet. Die Reaktion dieses Systems ohne jegliche Flüssigkeit im Spalt wird durch die Gleichung angegeben:
wobei ωn die natürliche Frequenz ist, das Dämpfungsverhältnis ist, und m die wirksame Masse ist, eine Größe, die für die Trägheit des Systems verantwortlich ist, wie beispielsweise diejenige, die den sich bewegenden Teilen des Motors zugeordnet ist. Die Parameter ωn, und m sind dem Fachmann wohlbekannt und werden ohne weiteres von ihm bestimmt.
Das Vorhandensein von Fluid im Spalt zwischen den beiden Platten fügt zu der Gleichung für die Reaktion des Systems einen weiteren kräftemäßigen Ausdruck hinzu. Für eine viskoelastische Flüssigkeit wird diese Gleichung zu:
Eine Lösung mit der Form x = x&sub0; sin((ωt - φ)) wird in die Gleichung (7) eingesetzt. Diese Lösung wird als Ausdruck aus der Schwingungsamplitude x&sub0; und der Phasenverzögerung φ in bezug zur zugeführten Kraft ausgedrückt. Die angenommene Lösung ist gültig, vorausgesetzt der Speicher- und Verlust- Modul werden durch die Ausdrücke angegeben:
Fig. 3 zeigt ein Schaubild einer typischen Geräteanordnung unter Verwendung der beanspruchten Erfindung. Der Computer 17 überwacht und sendet einem Verstärker 16 ein analoges oszillierendes Spannungssignal 11. Das Spannungssignal 11 wird von einem Verstärker 16 in ein oszillierendes Stromsignal 12 umgewandelt. So kann der oszillierende Strom 12 durch den Computer 17 wie gewünscht leicht eingestellt werden.
Das Rheometer 10 sendet dem Computer 17 ein analoges Spannungssignal 13, welches den oszillierenden Strom 12 zum Motor 8 beschreibt. Das Signal 13 schwingt sinusförmig bei einer Frequenz ω. Die Amplitude des Signals 13 ist proportional zur Kraft amplitude F&sub0; der Schwingplatte 7. Die Kraftamplitude F&sub0; kann aus dem Signal 13 experimentell kalibriert werden.
Das Rheometer 10 sendet dem Computer 17 auch eine oszillierende Spannung 14 vom Verschiebungssensor 9. Die oszillierende Spannung 14 ist proportional zur Amplitude x&sub0; der Verschiebung. Die Amplitude x&sub0; der Verschiebung kann aus der oszillierenden Spannung 14 experimentell kalibriert werden.
Der Computer 17 bestimmt die Phasenverzögerung φ zwischen F und der Verschiebung x. Aus φ und den anderen vorangehend genannten Informationen berechnet der Computer leicht G' und G".
Die bevorzugte Schwingeinrichtung ist ein Vibrationsmotor, umfassend eine durch ein Magnetfeld aufgehängte, sich bewegende Spulenbaugruppe und wird von Ling Dynamic Systems, Ltd. hergestellt. Die bevorzugte Einrichtung zur Messung der Verschiebung der Platte ist ein berührungsloser Sensor, wie beispielsweise ein von Mechanical Technology, Inc. hergestellter Photonsensor. Jedoch kann ein in den Motor eingebauter Kapazitätssensor ebenfalls wirkungsvoll verwendet werden. Die bevorzugte Einrichtung zur Messung der vom Vibrationsmotor ausgeübten Kraft besteht darin, den Spannungsabfall über einen Widerstand zu überwachen. Die Kraft wird in Abhängigkeit von dieser Spannung kalibriert. Die bevorzugte Ausführüngsform des beanspruchten Rheometers enthält eine von Ultramation, Inc. hergestellte thermoelektrische Platte zum Anheben und Absenken der unteren Platte. Die bevorzugte Einrichtung zur Instrumentensteuerung und Datenerfassung, wie in Fig. 4 dargestellt, ist ein Apple Macintosh II Computer mit Hardware und Software von National Instruments.
Der Fachmann ersieht ohne weiteres, daß die vorliegende Erfindung gut angepaßt ist, um die erwähnten Ziele, sowie diejenigen, die ihr innewohnen, zu erreichen. Die hier beschriebenen Verfahren, Vorgehensweisen und Techniken sind augenblick repräsentativ für die bevorzugten Ausführungsformen, sollen beispielhaft sein und sind nicht als Begrenzungen des Schutzumfangs vorgesehen. Veränderungen daran und andere Verwendungen werden dem Fachmann einfallen, welche innerhalb des Gedankens der Erfindung enthalten oder durch den Umfang der Ansprüche definiert sind.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung von viskoelastischen Eigenschaften von Flüssigkeiten, umfassend die Schritte:

Einbringen einer Flüssigkeit in Kreisform zwischen und in Kontakt mit parallelen Platten;

Versetzen von einer der Platten in sinusförmige Schwingungen in einer Richtung senkrecht zur anderen Platte;

Messen des Radius des Flüssigkeitskreises;

Messen der Kraft der Schwingungen;

Messen der Verschiebung der sich bewegenden Platte;

Messen des mittleren Abstands zwischen den Platten;

Messen der Frequenz der Schwingungen; und

Bestimmen von G', dem Speichermodul, und G", dem Verlustmodul, auf der Grundlage dieser Messungen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, mit dem zusätzlichen Schritt eines Konstanthaltens der Temperatur der Flüssigkeit durch Steuerung der Temperatur der unteren Platte.

3. Schwingquetschfließrheometer zum Analysieren des Verhaltens von dünnen Fluidfilmen, umfassend:

eine parallele erste und zweite Platte zur Aufnahme eines Fluidfilms;

einen mit der ersten Platte verbundenen elektrischen Schwingvibrationsmotor, wobei der Motor ausgerichtet ist, um die erste Platte senkrecht zur zweiten Platte in sinusförmige Schwingungen zu versetzen;

eine Einrichtung zum Messen eines dem Vibrationsmotor zugeführten elektrischen Stroms, wobei der Motor und die Einrichtung derart kalibriert sind, daß die Kraft der Schwingungen in Abhängigkeit von der Abgabe des elektrischen Stroms gemessen werden kann; und

eine Einrichtung zum Messen der Schwingungsverschiebung der ersten Platte; und

eine Einrichtung zum unmittelbaren Steuern der Temperatur von mindestens einer der beiden Platten;

eine Einrichtung zum Bestimmen von G', dem Speichermodul, und G", dem Verlustmodul, auf der Grundlage von Messungen der Kraft der Schwingungen, des Radius eines Fluidkreises zwischen den parallelen Platten, der Schwingungsverschiebung, des mittleren Abstands zwischen den Platten und der Frequenz der Schwingungen.

4. Rheometer nach Anspruch 3, bei welchem die Einrichtung zum Messen der Schwingungsverschiebung ein mit dem Vibrationsmotor verbundener berührungsfreier Verschiebungssensor ist.

5. Rheometer nach Anspruch 3, bei welchem die Einrichtung zum Messen der Schwingungsverschiebung ein in den Motor eingebauter Kapazitätssensor ist.

6. Rheometer nach Anspruch 4, mit einem Gleichstrom-Offset zum Einstellen eines Spalts zwischen den Platten.

7. Verfahren zur Bestimmung von G', dem Speichermodul, und G", dem Verlustmodul, von Nichtnewtonschen Fluiden, umfassend die Schritte:

Messen des Radius des Flüssigkeitskreises; Messen des mittleren Abstands zwischen den Platten;

Aufbringen einer sinusförmig schwingenden Kraft auf eine der Platten in einer Richtung senkrecht zur anderen Platte, wobei die Kraftschwingungen eine Kraftamplitude und eine Frequenz aufweisen;

Messen der Kraftamplitude;

Messen der Frequenz;

Messen der Verschiebungsamplitude der sich bewegenden Platte;

Messen einer Phasenverzögerung zwischen der Verschiebung der sich bewegenden Platte und den Kraftschwingungen; und Bestimmen von G' und G" aus diesen Messungen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem die Schwingkraft durch ein Rheometer aufgebracht wird und mit den zusätzlichen Schritten eines Erlangens der natürlichen Frequenz, des Dämpfungsverhältnisses und der wirksamen Masse des Rheometers.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem G' und G" in Abhängigkeit von der Frequenz unter Einsetzen der Messwerte in die folgenden Gleichungen bestimmt werden: