Pierwszenstwo: Opublikowano: 15.1.1972 64440 KI. 42 1, 7/02 MKP G 01 n, 11/10 CZYTELNIA UKD Urzedu Poie*»tp*«o Twórca wynalazku: Czeslaw Gruszczynski Wlasciciel patentu: Centralne Laboratorium Farb Graficznych, Gdansk (Polska) Aparat do oznaczania lepkosci strukturalnej Przedmiotem 'niniejszego wynalazku jest aparat do oznaczania lepkosci strukturalnej, umozliwia¬ jacy dokonanie pomiarów — podczas jednego ba- dania — kilku wartosci Wspólczynników lepkosci dynamicznej, odpowiadajacych róznym stadiom zniszczenia struktury badanej cieczy.Od dawna znanym jest fakt, ze w niektórych cieczach rna miejsce wzajemne oddzialywanie na siebie ich czastek, wywolane silami Van der Waal- sa, prowadzace do wytworzenia siatkowej struktury ukladu. Stan ten uzewnetrznia sie usztywnieniem zolu, spowodowanym przez zwiekszenie tarcia wewnetrznego. Opisana sytuacja panuje tak dlugo, jak dliugo ciecz pozostaje w spoczynku.Pod dzialaniem gradientu predkosci nastepuje jednak czesciowe rozluznienie lub calkowite znisz¬ czenie struktury wewnetrznej cieczy.Rozluznieniu struktury cieczy towarzyszy obnize¬ nie lepkosci zolu, ipostepujace stopniowo do pew¬ nej wartosci granicznej. Ta wartosc pozostaje juz stala, niezalezna od wielkosci gradientu, ma wiec ona charakter lepkosci newtonowskiej. Zatem lep¬ kosc -calkowita cieczy, wykazujacej przejsciowe usztywnienie pod wplywem oddzialywan miedzy¬ czasteczkowyeh, stanowi sume dwóch skladników: lepkosci newtonowskiej, majacej w danej tempera¬ turze wartosc zawsze te sama dla dowolnyah spad¬ ków predkosci oraz lepkosci strukturalnej. Ten dru¬ gi skladnik zmienia sie wraz z wahaniami gradien- 10 15 20 25 tu, wywolujacego przesuwanie warstw cieczy. Opi¬ sana zaletznosc mozna zapisac nastepujaco V = t}n + *7str »(1) gdzie tj oznacza wspólczynnik lepkosci calkowitej, r)n newtonowski wspólczynnik lepkosci, *?str zas — wspólczynnik lepkosci strukturalnej.Dla ustalenia wspólczynnika lepkosci struktural¬ nej stolsuje sie wiskozymetry przystosowane do prowadzenia pomiarów przy róznych spadkach predkosci. Ten stan rzeczy zmusza do wykonywa¬ nia szeregu oznaczen wspólczynnika 'tarcia wew¬ netrznego, odpowiadajacych zmieniajacym sie wartosciom gradientu. Przeprowadzanie wielu ta¬ kich pomiarów jest jednak pracochlonne.Celem wynalazku jest skonstruowanie aparatu do oznaczania lepkosci strukturalnej, umozliwiajacego wykonanie pomiarów kilku wartosci wspólczynni¬ ków lepkosci dynamicznej, odpowiadajacych róz¬ nym stadiom zniszczenia struktury cieczy, podczas jednego tylko badania.Alparat wedlug wynalazku sklada sie z nieru¬ chomego cylindrycznego naczynia, w którym powo¬ duje sie swobodny spadek pomiarowej kulki w ba¬ danej cieczy, wyposazonego w mieszadlo, zamoco¬ wane obrotowo w dnie naczynia. Naczynie pomia¬ rowe ima szereg czujników, rozmieszczonych w re¬ gularnych odstepach wzdluz osi naczynia, sluzacych do pomiaru kolejnych odcinków czasu swobodnego spadania kulki, w kolejnych strefach o róznym 64 4401544 3 stopniu zniszczenia struktury cieczy, wynikajacych z róznej intensywnosci ruchu tejze cieczy.Ponadto w aparacie wedlug wynalazku istnieje mozliwosc zmiennego ustawiania osi naczynia wzgledem pionu, korzystnie w granicach od okolo 5 10 do '20°, dla zapewnienia wlasciwego spadania kulki, to jest spadania po linii prostej, a nie po li¬ nii srulbowej.Istotnym jest, iz mieszadlo, zamocowane obroto¬ wo, koncentrycznie w dnie naczynia ma ksztalt 10 lopatki trójkatnej o wysokosci wynoszacej ponad pól wysokosci naczynia.Przedmiot wynalazku przedstawiono na rysunku w przykladzie wykonania, na którym fig. 2 przed¬ stawia przekrój pionowy aparatu, a fig. 1 — krzy- 15 wa , zaleznosci lepkosci calkowitej rj od czasów swcjbodnego opadania pomiarowej kulki, w stre¬ fach pomiarowych.(Naczynie 10, zawierajace badana ciecz, umiesz¬ czone jest w termostacie 11, zamocowanym w sta- 2o tywie 12 za pomoca jego lapy 13 w znany sposób.Wewnatrz, w dnie naczynia 10 osadzone jest obro¬ towo mieszadlo 3, napedzane elektrycznym silni¬ kiem 6 za posrednictwem przekladni 7. Silnik 6 jest wyposazony w regulator 5, do nastawiania szyb- 25 kosci obrotowej tegoz silnika 6.Z boku naczynia 10, wzdluz jego wysokosci usy¬ tuowane sa w pewnych odstepach czujniki 2 do pomiaru czasów swobodnego opadania kulki 1 wzdluz kolejnych odcinków cylindra. Te czujniki 30 2 sa polaczone z urzadzeniem 4 wskazujacym owe czasy opadania kulki 1.Statyw 12 jest zaopatrzony w pion 9 oraz sruby 8 ustawiania w stosunku do pionu naczynia 10.Elementem mieszajacym ciecz jest mieszadlo 3, 35 majace ksztalt trójkatnej lopatki o wysokosci wiekszej niz polowa wysokosci naczynia 10, a któ¬ rego ipodstawa usytuowana jest tuz nad dnem na¬ czynia 10.Sposób stosowania aparatu do oznaczania lep- 40 kosci strukturalnej wedlug'wynalazku jest nastepu¬ jacy.Pomiarowe naczynie 10 napelnia sie badana cie¬ cza. Ciecz pozostawia sie na pewien czas w spo¬ czynku i gdy wykazuje lepkosc strukturalna, na- 45 stepuje witedy jej zesztywnienie.Uruchamia sie elektryczny silnik 6, napedzajacy mieszadlo 3 za posrednictwem przekladni 7 w zna¬ ny sposób. Predkosc obrotowa silnika nastawia sie stosownie do potrzeb regulatorem5. 50 Krótkotrwale uruchomienie mieszadla 3 powodu¬ je czesciowe zniszczenie struktury cieczy. Stopien jej zniszczenia nie jest oczywiscie jednakowy w calej objetosci naczynia 10, i jest rózny ze wzro¬ stem odleglosci pionowej od dna naczynia 10. Trój- 55 katny ksztalt i usytuowanie u dolu mieszadla 3 powoduje, iz po wprawieniu go w ruch, na róz¬ nych wysokosciach naczynia 10 dzialaja rózne gra¬ dienty predkosci przesuwania sie w plaszczyznie poziomej kolejnych warstw slupa badanej cieczy. 60 Najwieksza wartosc' uzyskuja one u podstawy wirujacego mieszadla 3, najmniejsza zas — w oko¬ licy jego wierzcholka, gdyz tutaj odleglosc miedzy przesuwajaca sie i wywolujaca zaburzenia krawe¬ dzia boczna mieszadla 3, a nieruchoma sciana bocz- 65 4 na naczynia 10 jest najwiejklsza. Mniejsze gradienty predkosci powoduja mniejsze rozluznienie struktu¬ ry badanej cieczy. W pewnej odleglosci ipowyzej wierzcholka mieszadla 3 nie wystepuja juz zadne ruchy prowadzace do zniszczenia struktury cieczy, a zatem tam jej lepkosc zachowuje swa pierwotna, najwyizsza wartosc.Tak wiec ruch wirowy mieszadla 3 prowadzi do wytworzenia spadku lepkosci strukturalnej cieczy wypelniajacej naczynie 10. Spadek ten przebiega wzdluz osi naczynia 10, od wierzcholka ku podsta¬ wie. Dzielenie wysokosci na kilka odcinków i po¬ miar lepkosci swobodnie opadajacej kuOki w za¬ kresie tych odcinków, umozliwia uzyskanie sred¬ nich lepkosci stanów posrednich: od poczatkowego pelnego usztywnienia, wystepujacego w górnej czesci naczynia 10, do stanu calkowitego uplynnie¬ nia cieczy, wystepujacego w poblizu podstawy.Pomiarów lepkosci w poszczególnych strefach, to jest w ipartiach cieczy wypelniajacej naczynie 10 dokonuje sie przez pomiary czasów opadania po¬ miarowej kulki 1 pomiedzy kolejnymi czujnikami 2, w znany sposób. Czasy opadania rejestruje urza¬ dzenie 4.Wyniki pomiarów, to jest szereg liczlb maleja¬ cych, odpowiadajacych kolejnym stadiom zniszcze¬ nia struktury cieczy, nanosi sie na wykres (fig. 1).Krzywa ilustruje stopien zniszczenia struktury cie¬ czy, wystepujacy podczas oddzialywania na te ciecz róznych gradientów predkosci. Krzywa lep¬ kosci calkowitej r) zibliza sie asymptotycznie do prostej, odpowiadajacej wartosci lepkosci newto¬ nowskiej fjn.Krzywa ta moze miec przebieg bardziej stromy lub bardziej plaski. Znaczna stromosc krzywej wskazuje, iz badana ciecz charakteryzuje sie du¬ zym zesztywnieniem strukturalnym, szybko zani¬ kajacym pod wplywem zewnetrznych oddzialywan mechanicznych. Przykladowo farby odznaczajace sie taka wlasciwoscia uwazane sa za bardziej przydat¬ ne do wielu zastosowan, na przyklad — do druku lub do malowania plaszczyzn pionowych, niz far¬ by, którym odpowiadaja krzywe o bardziej plaskim przebiegu.Rozklad spadków wartosci lepkosci strukturalnej cieczy wypelniajacej naczynie 10 wzdluz osi tego naczynia 10 zalezy od rodzaju cieczy oraz od szytb- kosci i czasu trwania mieszania, przy zachowaniu stalosci wymiarów i ksztaltu naczynia 10 oraz umieszczonego w nim mieszadla 3. Dobierajac od¬ powiednio szybkosc i czas trwania mieszania usta¬ la sie najkorzystniejsze warunki pomiaru dla da¬ nej cieczy, to jest ustala sie takie warunki, w któ¬ rych mozliwym jest wyznaczenie wartosci granicz¬ nych lepkosci, a wiec lepkosci calkowitej i lep¬ kosci newtonowskiej. Te wartosci graniczne, lacz¬ nie z wartosciami posrednimi, stanowia liczbowa charakterystyke stopnia i trwalosci struktury wew¬ netrznej cieczy.Dla okreslenia wartosci srednich lepkosci calko¬ witej w poszczególnych strefach mierzy sie — jak podano wyzej — czasy opadania pomiarowej kulki 1, wzdluz umownych odcinków slupa cieczy zawar¬ tej w pomiarowym naczyniu 10, stanowiacych je¬ den po drugim obszary coraz pelniejszego uplyn-64 440 nienia cieczy. Granice tych stref wyznaczaja kolej¬ ne czujniki 2, polaczone z urzadzeniem 4 rejestru¬ jacym czasy, w których swobodnie oipadajaca po¬ miarowa kulka 1 znajduje sie kolejno na wysokosci kazdego z czujników 2. Mozna (stosowac w tym ce¬ lu dowolne ze znanych czujników, jak na przyklad czujniki fotoelektryczne, czujniki reagujace na zmiany pojemnosci elektrycznej lub indukcyjnosci, albo czujniki wykorzystujace zjawiska promienio¬ twórcze lub inne.Zmierzone, w opisany sposób, czasy opadania po¬ miarowej kulki 1, na drodze odcinków naczynia 10, przyjetych za kolejne strefy uplynniania, sluza do wyliczenia srednich wspólczynników lepkosci cal¬ kowitej badanej cieczy, wlasciwych dla kazdej z tych kolejnych stref. Obliczenia dokonuje sie w oparciu o znana zaleznosc V = 't - W — MC) •K (i2) w której: rj oznacza lepkosc w cP, t — czas opada¬ nia kulki, /*k — gestosc materialu z którego wyko¬ nano kulke, juc — gestosc badanej cieczy, K zas oz¬ nacza stala kulki.Odejmujac wartosc wspólczynnika lepkosci cie¬ czy wyliczonego ta metoda dla strefy calkowitego zburzenia jej struktury, od wartosci wspólczynnika 6 10 15 20 25 znalezionego dla strefy obejmujacej partie cieczy nieuplynnionej, otrzymuje sie, wykorzystujac odpo¬ wiednio przeksztalcona równosc (1), wartosc lep¬ kosci strukturalnej. PL