WO2007099686A1 - 平面伸張粘度測定方法及び平面伸張粘度測定装置 - Google Patents

平面伸張粘度測定方法及び平面伸張粘度測定装置 Download PDF

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bullet
fluid
bob
plane
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PCT/JP2006/326043
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Tsutomu Takahashi
Masataka Shirakashi
Toshihiro Kawano
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Nagaoka University Of Technology
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N11/00—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties
    • G01N11/10—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by moving a body within the material
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    • G01N11/10—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by moving a body within the material
    • G01N11/14—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by moving a body within the material by using rotary bodies, e.g. vane

Definitions

  • the present invention relates to a method for measuring plane extensional viscosity and a device for measuring plane extensional viscosity, and is suitable for application to, for example, the measurement of plane extensional viscosity of a non-Yeuton fluid.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 6-207898
  • shear viscosity there are two types of fluid viscosities: shear viscosity and extensional viscosity.
  • extensional viscosity is divided into two types: planar extensional viscosity and uniaxial extensional viscosity.
  • planar extensional viscosity In Newtonian fluids such as water and oil, the flow can usually be predicted by measuring only the shear viscosity, but in non-Newtonian fluids such as polymers and biological fluids, extensional viscosity plays an important role.
  • the plane extensional viscosity is an important factor affecting the formability.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and a plane extensional viscosity measurement method and a plane extensional viscosity measurement apparatus capable of proceeding with the analysis of plane extensional viscosity for a fluid having a high viscosity and a low viscosity. Is intended to provide.
  • a bullet-type bob having a narrow bottom surface is pushed into the container containing the fluid whose viscosity is to be measured from the bottom surface.
  • the stress calculating step obtains a pressing force due to plane extension deformation in the gap by subtracting the pushing force from the reaction force.
  • the plane extension stress is calculated by dividing the pressing force by the horizontal area of the gap.
  • the stress calculating step includes increasing buoyancy caused by pushing the bullet-type bob into the fluid and raising a bottom surface acting on a bottom surface portion of the bullet-type bob.
  • the push-up force is calculated by adding a drag force and a viscous resistance force acting on the bullet-type bob within the gap.
  • the flat extensional viscosity measuring apparatus includes a pushing means for pushing a bullet-type bob having a narrow bottom surface portion into a container containing a fluid to be measured for viscosity from the bottom surface portion; Measuring means for measuring a reaction force that the bullet-type bob receives from the fluid when the bullet-type bob is pushed into the fluid, and the fluid pushes up the bullet-type bob based on the outer dimensions of the bullet-type bob Force is calculated, the calculated pushing force and the reaction force Based on the horizontal cross-sectional area of the gap between the shell-type bob and the container, the stress calculating means for calculating the plane extension stress generated in the gap, the outer dimensions of the shell-type bob, and the shell Viscosity calculation means for calculating the plane extensional viscosity by dividing the plane extensional stress by the rate of increase in the fluid velocity in the gap calculated based on the indentation speed of the mold bob into the fluid. It is characterized by
  • the stress calculation means subtracts the push-up force from the repulsive force, thereby reducing the push-down force due to plane stretch deformation in the gap.
  • the plane extension stress is calculated by dividing the pressing force by the horizontal area of the gap.
  • the stress calculating means includes an increased buoyancy caused by pushing the bullet-type bob into the fluid, and a bottom-side push-up acting on the bottom portion of the bullet-type bob.
  • the push-up force is calculated by adding a drag force and a viscous drag force acting on the bullet-type bob in the gap.
  • the plane extensional viscosity can be obtained even with a low-viscosity fluid that is difficult to be formed into a solid state only with a high-viscosity fluid.
  • the analysis of the plane extensional viscosity can be advanced for the fluid.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an overall configuration of a planar extensional viscosity measuring apparatus according to the present invention.
  • FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a state of drag acting when a shell-type bob is pushed into a container.
  • FIG. 3 is a horizontal sectional view and a longitudinal sectional view showing a detailed configuration of a shell-type bob and a container.
  • FIG. 4 is a side view showing a detailed configuration of a shell-type bob.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a circuit configuration of the plane extensional viscosity measuring apparatus.
  • FIG. 6 is a timing chart showing the push-in timing of the bullet-type bob.
  • FIG. 7 is a perspective view showing a monitor display example (1) of an analysis result.
  • FIG. 8 is a longitudinal sectional view showing a side sectional configuration of a shell-type bob according to another embodiment.
  • FIG. 9 is a perspective view showing a monitor display example (2) of an analysis result.
  • FIG. 1 shows a plane extensional viscosity measuring apparatus in which the method of measuring plane extensional viscosity according to the present invention is performed.
  • This plane extensional viscosity measuring apparatus 1 is a rotational viscosity conventionally used for measuring the viscosity of fluids.
  • a shell-type bob 2 that has a shell-type shape that is completely different from that of a conventional cylindrical bob is attached to a total, and a personal computer PC is loaded with a flat-extension viscosity measurement processing program for calculating the flat-extension viscosity of a fluid. It is what has.
  • a rotational viscometer (hereinafter referred to as a plane extensional viscometer) 3 to which a bullet-type bob 2 is attached includes an elevating drive unit 4 as a pushing means, a base stand 5, and the base It consists of a container 6 mounted on a table 5.
  • the elevating drive unit 4 has a rod-like bob support member 7 attached thereto, and is configured to move the bob support member 7 up and down along the vertical direction.
  • the bob support member 7 has a bullet-type bob 2 detachably attached to the tip thereof, and a load cell 8 as a measuring means is provided between the bullet-type bob 2 and the elevation drive unit 4. .
  • the plane extensional viscosity measuring apparatus 1 is configured so that, for example, a non-Newtonian fluid 9 is placed in the container 10 of the container 6 as a viscosity measurement target.
  • a non-Newtonian fluid 9 is placed in the container 10 of the container 6 as a viscosity measurement target.
  • the plane extensional viscosity measuring apparatus 1 further pushes the bullet-type bob 2 into the non-Yuton fluid 9 by sliding the bob support member 7 at a predetermined pushing speed V.
  • the planar extension viscosity measuring apparatus 1 measures the reaction force in the load cell 8 and sends the measurement result obtained by the load cell 8 to the personal computer PC.
  • the personal computer PC is configured to be able to calculate the plane extensional viscosity of the non-Newtonian fluid 9 by executing a calculation process based on a predetermined expression (described later) using the measurement result. Being! RU
  • the non-Newtonian fluid 9 in the container 10 is formed by pushing the bullet-type bob 2 into the container 10 of the container 6. It passes through a side gap G between the side surface portion 11 of the shell-type bob 2 and the inner wall 12 of the housing portion 10 and is pushed out to the upper surface portion 13 of the shell-type bob 2.
  • the distance h between the side surface portion 11 of the shell-type bob 2 and the inner wall 12 of the housing portion 10 is narrower than the diameter of the housing portion 10, the distance h of the shell-type bob 2 passes through the distance h.
  • the flow of the non-Newtonian fluid 9 toward the upper surface portion 13 can be regarded as a two-dimensional flow.
  • the side surface gap G shows a velocity distribution V that is close to a two-dimensional Poisau flow.
  • this velocity distribution V indicates that the bullet-type bob 2 is moving downward. So it becomes an asymmetric shape.
  • the flow direction is indicated by the Z axis
  • the width direction between the side surface portion 11 of the bullet-type bob 2 and the inner wall 12 of the accommodating portion 10 (ie, between two planes) is indicated by the Y-axis
  • the bullet-type bob 2 The wall shear rate at side 11 is indicated by ⁇ .
  • the bullet-type bob 2 is pushed into the non-Eutonian fluid 9 so that the non-Newton The fluid 9 can flow with a predetermined acceleration.
  • the non-Newtonian fluid 9 becomes a plane extension flow state in the side surface gap G.
  • the vertical reaction force F generated by pushing the bullet-type bob 2 into the non-Eutonian fluid 9 has an inflow loss and viscosity when the non-Newtonian fluid 9 passes through the side gap G.
  • Fn resistance against increased buoyancy due to volume increase under fluid surface It is generated by Fb and plane extension flow (hereinafter referred to simply as increased buoyancy)
  • Po in Fig. 2 is atmospheric pressure.
  • pushing force acting on the bullet-type bob 2
  • the pushing force acting on the bullet-type bob 2 is the sum of the increased buoyancy Fb, the bottom pushing force Fp, and the viscous resistance force Fv.
  • the relationship between the pushing force (increased buoyancy Fb, bottom pushing force Fp and viscous resistance force Fv), pushing force Fn, and reaction force F measured with the load cell 8 is
  • the buoyancy generated when the Bob support member 7 sinks into the non-Euton fluid 9 and the buoyancy due to the rise of the liquid level of the non-Euton fluid 9 due to the pushing of the bullet-type bob 2 are calculated, and these are calculated.
  • the combined buoyancy Fb can be obtained by combining them.
  • the velocity distribution V in the side gap G is estimated, and thereby the wall shear stress acting on the side surface portion 11 of the shell-type bob 2 is estimated, and based on this, the viscosity resistance force is estimated. Fv can be obtained.
  • the plane extension stress ⁇ can be obtained by Where ⁇ is, as shown in Fig. 3 (A),
  • R represents the radius of the accommodating portion 10 as shown in FIG. 3B
  • r represents the radius of the shell-type bob 2 at an arbitrary height Z1 on the Z axis.
  • the Z-axis represents the vertical direction (that is, the flow direction of non-Eutonian fluid 9) from the bottom surface 20 to the top surface 13 of the bullet-type bob 2
  • the arbitrary height Z1 is a bullet-type It is smaller than the height d of Bob 2.
  • the plane extension speed ⁇ ′ as the fluid speed increase rate can be determined by the outer dimensions of the shell-type bob 2 and the pushing speed V of the shell-type bob 2.
  • the relationship between ⁇ 'and the plane extensional viscosity r? can be analyzed.
  • a plane extensional viscosity measuring apparatus 1 that executes the above-described plane extensional viscosity measuring method according to the present invention has a configuration in which a plane extensional viscometer 3 is connected to a personal computer PC.
  • the plane extension viscometer 3 pushes the bullet-type bob 2 into the container 10 of the container 6 and applies the reaction force F in the vertical direction received by the gun-type bob 2 from the non-Yuton fluid 9 to the load cell 8 It is configured so that it can be measured with.
  • the plane extension viscometer 3 rotates the bob support member 7 as in the conventional case (Fig. 3 (A)), and at this time, the rotation of the bullet-type bob 2 received from the non-Euton fluid 9 It is also configured to measure the resistance in the direction.
  • the container 6 is formed in a bottomed cylindrical shape, and the base is set so that the central axis thereof coincides with the central axis 21 of the bullet-type bob 2.
  • the shell-type bob 2 placed on the base 5 and lowered is configured to be able to be accommodated in the accommodating portion 10.
  • the accommodating portion 10 is selected so as to have the same shape force as the horizontal cross-sectional shape of the cannonball-type bob 2 and its radius is larger than the radius r (d) at the upper surface portion 13 of the cannonball-type bob 2.
  • an annular side gap G can be formed between the inner wall 12 and the side part 11 of the bullet-type bob 2 ( Figure 3 (A)).
  • the side gap G is selected to be smaller than the radius R of the accommodating portion 10 and the radius r of the shell-type bob 2, so that the non-Newtonian fluid that has flowed into the side gap G is secondary. It is structured so that it can be regarded as the original flow.
  • the cannonball-type bob 2 is made of, for example, stainless steel, has a trapezoidal cone shape in which the radius r gradually becomes narrower from the top surface portion 13 to the bottom surface portion 20, and the bottom surface portion 20 and the side surface portion 11. It is formed in a curved shape so that the corner between the two becomes a gentle curve. In this way, the shell-type bob 2 is formed so as to gradually become narrower as it goes to the upper surface portion 13 in the housing portion 10, the distance h from the inner wall 12, and when pushed into the housing portion 10, The non-Newtonian fluid 9 is caused to flow at a predetermined acceleration in the side surface gap G, and the non-Newtonian fluid 9 can be brought into a plane extension flow state. [0047] In practice, as shown in Fig. 4, the shell-type bob 2 has a radius r based on the plane stretching speed ⁇ 'of the non-Euton fluid, the pushing speed V, etc.
  • the outer diameter dimension of the bullet-type bob 2 is determined by the radius R of the accommodating portion 10, the pushing speed V of the bullet-type bob 2 by the elevating drive portion 4, and the like.
  • a screw thread (not shown) is threaded at the tip of the bob support member 7, and the bullet-type bob 2 can be detachably attached to the screw thread.
  • a bullet type bob (to be described later) having various sizes and shapes appropriately selected by the user can be attached to the tip of the bob support member 7.
  • various data relating to the measurement of the plane extensional viscosity are input by the user operating the input unit 31 such as a keyboard.
  • the input unit 31 supplies data input by the user to the CPU 33 via the data bus 32.
  • the CPU 33 as the stress calculation means and the viscosity calculation means is designed to measure the plane extensional viscosity according to the plane extension viscosity measurement processing program stored in the ROM (Read Only Memory) 34, and the input unit 31 force is also input.
  • the plane extensional viscosity is measured using the measured data and the reaction force data obtained from the load cell 8 through the external interface 37.
  • the CPU 33 executes the plane extensional viscosity measurement while storing data such as the calculation result in a RAM (Random Access Memory) 35 as necessary.
  • the CPU 33 displays the measurement results thus executed on the monitor 36 in various display forms.
  • the CPU 33 executes the plane extension viscosity measurement process according to the plane extension viscosity measurement process program stored in the ROM 34. To do. In this case, the CPU 33 sends a drive signal to the flat extension viscometer 3 via the external interface 37. [0053] Thereby, the plane extension viscometer 3 lowers the bullet-type bob 2 by driving the elevating drive unit 4, and, as shown in Fig. 3 (A), before the measurement by the load cell 8 is started, All mold bobbs 2 are immersed in non-Euton fluid 9.
  • the plane extension viscometer 3 starts measuring the reaction force F by the load cell 8, and also stops the bullet-type bob 2 until the measurement start force reaches a predetermined time tl (for example, 10 s) as shown in FIG. to continue. Further, the plane extension viscometer 3 is driven from the elapse of the predetermined time tl until the predetermined time t2 (for example, 50 s) (hereinafter referred to as the push-in time ⁇ tl) by driving the elevating drive unit 4 again to The bullet-type bob 2 is pushed in at a speed V, and after a predetermined time t2, the bullet-type bob 2 is stopped.
  • a predetermined time tl for example, 10 s
  • the plane extension viscometer 3 is driven from the elapse of the predetermined time tl until the predetermined time t2 (for example, 50 s) (hereinafter referred to as the push-in time ⁇ tl) by driving the elevating drive unit 4 again to
  • the plane extension viscometer 3 measures the reaction force F with the load cell 8 until the measurement start force at a predetermined time t2, and further after the predetermined time t2 has elapsed until the predetermined time t3 (for example, 50 s). During this period, the reaction force F is measured by the load cell 8, and the series of measurement results are sent to the personal computer PC as reaction data.
  • the push-in time Atl is fixed to about 50 s, and the cannonball-type bob 2 is pushed in It is configured so that the speed V can be set appropriately between 0.001 and 0.1 mmZs.
  • the CPU 33 of the personal computer PC is configured to store the anti-data received from the plane extension viscometer 3 in the RAM 35.
  • the CPU 33 calculates the viscous resistance force Fv, the bottom surface push-up resistance Fp, and the increased buoyancy Fb in order to calculate the pressing force Fn due to the normal stress using the above-described equation (1).
  • K-determined by Kshaft represents the density of the fluid whose viscosity is to be measured (in this case, a non-Euton fluid), R represents the radius of Bob support member 7, and g represents the gravitational acceleration.
  • the first term (left term) in parentheses in Equation (6) represents the buoyancy generated by the sinking of Bob support member 7, and the second term in parentheses in Equation (6) (right side The term) represents the buoyancy due to the rise of the liquid level of the non-Euton fluid 9 discharged from the side gap G force.
  • the CPU 33 obtains Fb based on the push-in speed V and push-in time Atl.
  • the velocity distribution V force considering the power law at the inlet and outlet of the side gap G in the shell-type bob 2 can also be obtained.
  • the velocity distribution V in the side gap G is estimated from the flow rate Q per unit time.
  • This velocity distribution V should be obtained by determining the relationship between the shear rate and the viscosity by ordinary viscosity measurement. Obtained using an equation such as a power law.
  • the flow rate Q is
  • A represents the bottom area of the bottom surface portion 20 of the bullet-type bob 2
  • the CPU 33 calculates the viscous drag force Fv, the bottom-up push-up resistance Fp, and the increased buoyancy Fb, and pushes down from the formula (1) using the reaction force F measured by the load cell 8. Get the Fn Fn.
  • the CPU 33 obtains the plane stretching speed ⁇ 'from the formula (3) based on the set pushing speed V and the like, and then calculates the formula (4) based on the plane stretching speed ⁇ ' and the pushing force Fn. To plane extension viscosity 7?
  • the CPU 33 stores the measurement result by the load cell 8 in the RAM 35 and, as shown in FIG. 7B, the analysis result (for example, D11) according to the pushing speed V. Displays the analysis result when the indentation speed V is 0. OlmmZS) on the monitor 36.
  • the user can grasp the distribution state force of the waveform displayed on the monitor 36 and the state of the plane extensional viscosity of the non-Eutonian fluid 9 analyzed at this time.
  • the analysis results shown in FIG. 7 (B) are obtained when a bullet-type bob 40 as shown in FIG. 8 (A) is used, and the radius R of the accommodating portion 10 is 14.46 mm.
  • CTAB cetyltrimethylammonium bromide
  • ZNaSal sodium salicylate
  • the personal computer PC has various data necessary for measuring the plane extensional viscosity such as the bottom area, the side wall area, and the pushing speed V of the vertical bob 40 when the input unit 31 is operated by the user. Will be entered.
  • FIG. 7 (A) shows the result of analysis using a cannonball-type bob 40 for a Yuton fluid (for example, viscometer calibration standard solution (JS2000)).
  • the bullet-type bob 40 has a configuration in which a bullet-shaped portion 41 having a short trapezoidal cone shape and a cylindrical portion 42 are integrally formed as shown in FIG. 8 (A).
  • the shell part 41 is formed so that the radius gradually becomes wider as it goes to the upper surface part 43!
  • the non-Newton in gap G The fluid 9 can flow with a predetermined acceleration. As a result, the non-Newtonian fluid 9 becomes a plane stretch flow state in the side surface gap G.
  • the shell-type bob 40 is selected so that the height of the shell portion 41 is about 10 mm, the height of the circular column portion is about 20 mm, and the diameter ⁇ of the upper surface portion 43 in the shell portion 41 About 27.
  • It is selected to be 67998 mm and has a configuration with a bottom radius of about 10 mm.
  • reaction force F measured at various extrusion speeds V can be displayed on one screen by changing the color of the waveform in accordance with the extrusion speed V.
  • the personal computer PC calculates the average reaction force F (ave) corresponding to the pushing speed V for each Newtonian fluid (JS2000) and non-Newtonian fluid (CTAB) by switching the input unit 31. 9 As shown in (A), the change of the average reaction force F (ave) can be expressed on one screen.
  • FIGS. 8B and 8C bullet-type bobs 50, 60, etc. as shown in FIGS. 8B and 8C are sequentially attached to the plane extensional viscometer 3, and these bullet-type bobs 50 , 60 can be displayed on one screen on the monitor 36 as shown in FIG. 9B.
  • Fig. 9 (B) shows the measurement results using the surfactant aqueous solution (CTAB) described above as the non-Euton fluid.
  • CTAB surfactant aqueous solution
  • the flat extensional viscometer 3 allows the low-viscosity non-Eutonian fluid 9 that is difficult to be formed into a solid state by inserting the bullet-type bob 2 into the container 10 and pushing in the low-viscosity viscometer 3.
  • the fluid can be brought into a plane extension state in the side gap G.
  • the horizontal cross-sectional shapes of the bullet-type bob 2 and the container 10 are the same, and the central axis 21 of the bullet-type bob 2 is aligned with the central axis of the container 9.
  • planar extension viscometer 3 measures the reaction force F received by the bullet-type bob 2 at this time, and sends the measurement result to the personal computer PC in real time.
  • the shell type is based on the outer dimensions of the shell type Bob 2.
  • the push-up force acting on Bob 2 ie, increased buoyancy Fb, bottom push-up resistance Fp and viscous resistance force Fv
  • the calculated push-up force, reaction force F, and horizontal cross-sectional area of the side gap G are calculated.
  • the plane extension stress ⁇ at the side gap G is calculated.
  • the plane stretching stress is calculated at the plane stretching speed ⁇ 'calculated based on the outer dimensions of the shell type bob 2 and the pushing speed V of the shell type bob 2 into the non-Newtonian fluid 9.
  • the plane extensional viscosity ⁇ of the non-Newtonian fluid 9 is obtained.
  • the plane extensional viscosity measuring device 1 can easily proceed with the analysis of the plane extensional viscosity 7? For a non-Newtonian fluid 9 that is difficult to form in solid form.
  • the cylindrical bob of the conventionally used rotational viscometer is replaced with a bullet-type bob 2, and each arithmetic processing such as the above formulas (1) to (4) is performed.
  • a personal computer PC By simply loading a personal computer PC with a program for measuring the plane extensional viscosity for performing the above, it is possible to newly measure the plane extensional viscosity that could not be measured with a conventional rotational viscometer.
  • the present invention can be used as it is, and the basic mechanical configurations such as an elevator and a load cell provided in the rotary viscometer can be used as they are, and thus the manufacturing cost of the planar extensional viscosity measuring device 1 is as follows. Can be reduced.
  • the cannonball-shaped bob 2 is pushed into the container 6 to bring the non-Eutonian fluid 9 into a plane extension state at the side gap G, and the shell-shaped bob 2 receives at this time.
  • the calculation process is executed according to equations (1) to (4), so that only non-Yuton fluids with high viscosity are used.

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Abstract

高粘度及び低粘度の流体について平面伸張粘度の解析を進めることができる平面伸張粘度測定方法及び平面伸張粘度測定装置を提供する。 容器６に砲弾型ボブ２を押し込むことにより側面隙間Ｇで非ニュートン流体９を平面伸張状態とするとともに、このとき砲弾型ボブ２が受ける反力Ｆを測定し、この反力Ｆとユーザが入力した各条件とを用いて、押し上げ力と、反力Ｆと、側面隙間Ｇの水平断面積とに基づいて当該側面隙間Ｇでの平面伸張応力σを算出し、これを平面伸張速度ε'で除して平面伸張粘度ηPEを求めるようにしたことにより、高粘度の非ニュートン流体だけでなく、固形状に形成し難い低粘度の非ニュートン流体であっても平面伸張粘度を求めることができ、かくして高粘度及び低粘度の流体について平面伸張粘度の解析を進めることができる。

Description

明 細 書
平面伸張粘度測定方法及び平面伸張粘度測定装置
技術分野
[0001] 本発明は平面伸張粘度測定方法及び平面伸張粘度測定装置に関し、例えば非二 ユートン流体の平面伸張粘度の測定に適用して好適なものである。
背景技術
[0002] 従来、回転軸に取り付けられた円柱状ボブ (ロータ）を粘度測定対象の流体に浸漬 した後、回転軸を回転させると共にこのとき円柱状ボブが流体力 受ける粘性抵抗力 に基づいて流体の粘度を測定する回転粘度計が知られている（例えば、特許文献 1 参照)。
特許文献 1：特開平 6 - 207898号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0003] ところで、流体の粘度にはせん断粘度と伸張粘度の 2種類があり、さらに伸張粘度 は平面伸張粘度と一軸伸張粘度の 2種類に分けられている。ここで水や油等のような ニュートン流体では、通常、せん断粘度のみを測定すればその流れを予測できるが 、高分子や生物流体等のような非ニュートン流体では、伸張粘度が重要な役割を有 し、フィルム成形やブロー成形を行う際に平面伸張粘度が成形性を左右する重要な 要素となる。
[0004] ところが、従来このような平面伸張粘度を測定する平面伸張粘度測定装置では、固 形状の流体を用い、当該流体の一端を固定すると共に、保持部によって流体の他端 を引き伸ばすことにより、流体に生じた平面伸張粘度を測定し、この測定結果を用い て平面伸張粘度の解析が進められている。このため、このような平面伸張粘度測定 装置では、固形状に形成できる高粘度の流体 (以下、これを単に高粘度流体と呼ぶ) のみにしか用いることができず、固形状に形成し難い低粘度の流体 (以下、これを単 に低粘度流体と呼ぶ）につ 、て平面伸張粘度の解析を行 、難 、と 、う問題があった [0005] そこで、本発明は上記した問題点に鑑みてなされたもので、高粘度及び低粘度の 流体について平面伸張粘度の解析を進めることができる平面伸張粘度測定方法及 び平面伸張粘度測定装置を提供しょうとするものである。
課題を解決するための手段
[0006] 本発明の請求項 1における平面伸張粘度測定方法は、粘度測定対象の流体が入 つた容器に、底面部が幅狭の砲弾型ボブを該底面部から押し込んでゆき、このとき前 記砲弾型ボブが前記流体から受ける反力を測定する測定ステップと、前記砲弹型ボ ブの外郭寸法を基に前記流体が前記砲弾型ボブを押し上げる力を算出し、該算出 された押し上げ力と、前記反力と、前記砲弾型ボブ及び前記容器の隙間の水平断面 積とに基づいて前記隙間内で生じる平面伸張応力を算出する応力算出ステップと、 前記砲弾型ボブの外郭寸法と、前記砲弾型ボブの流体内への押し込み速度とを基 に算出した前記隙間内での流体速度増加割合で、前記平面伸張応力を除すること により平面伸張粘度を算出する粘度算出ステップとを備えたことを特徴とするもので ある。
[0007] 本発明の請求項 2における平面伸張粘度測定方法は、前記応力算出ステップは、 前記反力から前記押し上げ力を減算することにより、前記隙間内での平面伸張変形 による押し下げ力を求め、前記隙間の水平面積で前記押し下げ力を除することにより 前記平面伸張応力を算出することを特徴とするものである。
[0008] 本発明の請求項 3における平面伸張粘度測定方法は、前記応力算出ステップは、 前記砲弾型ボブを前記流体へ押し込むことによる増加浮力と、前記砲弾型ボブの底 面部に作用する底面押し上げ抗力と、前記隙間内で前記砲弾型ボブに作用する粘 性抵抗力とを合算することにより前記押し上げ力を算出することを特徴とするものであ る。
[0009] 本発明の請求項 4における平面伸張粘度測定装置は、粘度測定対象の流体が入 つた容器に、底面部が幅狭の砲弾型ボブを該底面部から押し込んでゆく押し込み手 段と、前記砲弾型ボブを前記流体に押し込んだときに前記砲弾型ボブが前記流体か ら受ける反力を測定する測定手段と、前記砲弾型ボブの外郭寸法を基に前記流体 が前記砲弾型ボブを押し上げる力を算出し、該算出された押し上げ力と、前記反力 と、前記砲弾型ボブ及び前記容器の隙間の水平断面積とに基づ!、て前記隙間内で 生じる平面伸張応力を算出する応力算出手段と、前記砲弾型ボブの外郭寸法と、前 記砲弾型ボブの流体内への押し込み速度とを基に算出した前記隙間内での流体速 度増加割合で、前記平面伸張応力を除することにより平面伸張粘度を算出する粘度 算出手段とを備えたことを特徴とするものである。
[0010] 本発明の請求項 5における平面伸張粘度測定装置は、前記応力算出手段は、記 反力から前記押し上げ力を減算することにより、前記隙間内での平面伸張変形によ る押し下げ力を求め、前記隙間の水平面積で前記押し下げ力を除することにより前 記平面伸張応力を算出することを特徴とするものである。
[0011] 本発明の請求項 6における平面伸張粘度測定装置は、前記応力算出手段は、記 砲弾型ボブを前記流体へ押し込むことによる増加浮力と、前記砲弾型ボブの底面部 に作用する底面押し上げ抗力と、前記隙間内で前記砲弾型ボブに作用する粘性抵 抗力とを合算することにより前記押し上げ力を算出することを特徴とするものである。 発明の効果
[0012] 本発明の請求項 1及び 4によれば、高粘度流体だけでなぐ固形状に形成し難い低 粘度流体であっても平面伸張粘度を求めることができ、力べして種々の粘度を有した 流体について平面伸張粘度の解析を進めることができる。
[0013] 本発明の請求項 2及び 5によれば、反力と押し上げ力と隙間の水平面積とを用いる ことにより、高粘度流体だけでなぐ固形状に形成し難い低粘度流体ついても平面伸 張応力を求めることができる。
[0014] 本発明の請求項 3及び 6によれば、増加浮力と底面押し上げ抗力と粘性抵抗力とを 用いることにより、高粘度流体だけでなぐ固形状に形成し難い低粘度流体ついても 押し上げ力を算出することができる。
図面の簡単な説明
[0015] [図 1]本発明の平面伸張粘度測定装置の全体構成を示す斜視図である。
[図 2]容器に砲弾型ボブを押し込んだときに働く抗力の様子を示す縦断面図である。
[図 3]砲弾型ボブ及び容器の詳細構成を示す水平断面図及び縦断面図である。
[図 4]砲弾型ボブの詳細構成を示す側面図である。 [図 5]平面伸張粘度測定装置の回路構成を示すブロック図である。
[図 6]砲弾型ボブの押し込みタイミングを示すタイミングチャート図である。
[図 7]解析結果のモニタ表示例（1)を示す斜視図である。
[図 8]他の実施の形態による砲弾型ボブの側断面構成を示す縦断面図である。
[図 9]解析結果のモニタ表示例（2)を示す斜視図である。
発明を実施するための最良の形態
[0016] 以下、本発明における好ましい実施例について、添付図面を参照しながら説明す る。
[0017] (1)平面伸張粘度測定の概略
図 1にお 、て、 1は本発明による平面伸張粘度測定方法が行なわれる平面伸張粘 度測定装置を示し、この平面伸張粘度測定装置 1は、従来から流体の粘度計測に用 いられる回転粘度計に、従来の円柱状ボブとは全く異なる砲弾型形状でなる砲弾型 ボブ 2を取り付け、パーソナルコンピュータ PCに流体の平面伸張粘度を算出するた めの平面伸張粘度測定処理プログラムを読み込ませた構成を有するものである。
[0018] 実際上、砲弾型ボブ 2が装着された回転粘度計 (以下、これを平面伸張粘度計と呼 ぶ） 3は、押し込み手段としての昇降駆動部 4と、ベース台 5と、このベース台 5上に載 置された容器 6とから構成されている。昇降駆動部 4は、棒状のボブ支持部材 7が取 り付けられ、このボブ支持部材 7を鉛直方向に沿って上下動させ得るように構成され ている。ボブ支持部材 7には、その先端に砲弾型ボブ 2が着脱自在に装着されてい るとともに、当該砲弾型ボブ 2及び昇降駆動部 4との間に測定手段としてのロードセ ル 8が設けられている。
[0019] 平面伸張粘度測定装置 1では、粘度測定対象として例えば非ニュートン流体 9を容 器 6の収容部 10に入れるように構成されている。実際上、非-ユートン流体 9の平面 伸張粘度を測定する場合には、先ず昇降駆動部 4によってボブ支持部材 7を所定時 間だけ下方にスライドさせることにより、砲弾型ボブ 2を非-ユートン流体 9内に浸漬さ せて一旦停止させる。その後、平面伸張粘度測定装置 1は、さらにボブ支持部材 7を 所定の押し込み速度 Vでスライドさせることにより、砲弾型ボブ 2を非-ユートン流体 9 内に押し込んでゆく。 [0020] このとき平面伸張粘度測定装置 1では、砲弾型ボブ 2に加わる非-ユートン流体か らの粘性抵抗がそのままロードセル 8に反力として加わる。これにより平面伸張粘度 測定装置 1では、反力をロードセル 8において測定するとともに、当該ロードセル 8で 得た測定結果をパーソナルコンピュータ PCに送出する。
[0021] これによりパーソナルコンピュータ PCは、測定結果を用いて所定の式 (後述する）を 基に演算処理を実行することにより、非ニュートン流体 9の平面伸張粘度を算出する ことができるように構成されて！、る。
[0022] すなわち、本発明の平面伸張粘度測定方法では、図 2に示すように、砲弾型ボブ 2 が容器 6の収容部 10に押し込まれることにより、当該収容部 10内の非ニュートン流体 9が砲弾型ボブ 2の側面部 11及び収容部 10の内壁 12間の側面隙間 Gを通過し、当 該砲弹型ボブ 2の上面部 13に押し出される。
[0023] ここで砲弾型ボブ 2の側面部 11及び収容部 10の内壁 12間の距離 hは、収容部 10の 直径に比して狭いため、当該距離 hを通過して砲弾型ボブ 2の上面部 13側に向かう 非ニュートン流体 9の流れは二次元流れとみなすことができる。
[0024] この場合、側面隙間 Gでは、図 2に示すように、二次元ポアゾィュ流れに近い速度 分布 Vを示すが、実際上、この速度分布 Vは砲弾型ボブ 2が下方に移動しているので 非対称な形となる。なお図 2において、流れの方向を Z軸で示し、砲弾型ボブ 2の側 面部 11及び収容部 10の内壁 12間（すなわち 2平面間）の幅方向を Y軸で示し、砲弾 型ボブ 2の側面部 11での壁面せん断速度を γ で示している。
W
[0025] これに加えて砲弾型ボブ 2は、収容部 10の内壁 12までの距離 hが徐々に狭くなつて いることから、非-ユートン流体 9内への押し込みにより側面隙間 Gにおいて当該非 ニュートン流体 9を所定の加速度をもって流動させ得る。これにより非ニュートン流体 9は、側面隙間 G内において平面伸張流動状態となる。
[0026] ところで、砲弾型ボブ 2を非-ユートン流体 9内に押し込むことにより発生する鉛直 方向の反力 Fには、流入損失と、側面隙間 Gを非ニュートン流体 9が通過する際の粘 性抵抗力 Fvと、流出損失と、砲弾型ボブ 2の底面部 20の圧力上昇による押し上げ力 (以下、これを底面押し上げ抗力と呼ぶ) Fpと、流体水面下の体積増加による浮力増 加分の抗カ（以下、これを単に増加浮力と呼ぶ) Fbと、平面伸張流動により発生する 法線応力による押し下げ力 Fnとの 6つが作用する。なお図 2における Poは大気圧で ある。
[0027] このうち流入損失及び流出損失は、粘性抵抗力 Fvと底面押し上げ抗カ Fpとに比 ベて流量が小さいことから無視できる。従って砲弾型ボブ 2を非-ユートン流体 9内に 押し込むことにより発生する反力 Fには、粘性抵抗力 Fv、底面押し上げ抗カ Fp、増 加浮力 Fb及び押し下げ力 Fnの 4つが作用するとみなすことができる。
[0028] このうち砲弾型ボブ 2に作用する押し上げる力（以下、これを押し上げ力と呼ぶ）は 、増加浮力 Fb、底面押し上げ抗カ Fp及び粘性抵抗力 Fvとを合算したものとなること から、押し上げ力（増加浮力 Fb、底面押し上げ抗カ Fp及び粘性抵抗力 Fv)と、押し 下げ力 Fnと、ロードセル 8で測定した反力 Fとの関係は、次式
[0029] [数 1]
Fn = F—Fv—Fp—Fb ■■■("
によって表すことができる。
[0030] 実際上、ロードセル 8により反力 Fを測定する場合には、砲弾型ボブ 2全てを非-ュ 一トン流体 9内に予め沈ませておく。このため砲弾型ボブ 2には押し込み前後で浮力 の差は生じない。し力しボブ支持部材 7の一部が非-ユートン流体 9内に新たに沈み 込むため、この分浮力増加の原因となっている。また、砲弾型ボブ 2を非-ユートン流 体 9内に押し込むことにより、当該非-ユートン流体 9の液面が上昇するので、この分 浮力増加の原因となっている。
[0031] 従って、非-ユートン流体 9内にボブ支持部材 7が沈み込むことによって生じる浮力 と、砲弾型ボブ 2の押し込みによる非-ユートン流体 9の液面上昇による浮力とを算出 し、これらを合わせることにより増加浮力 Fbを求めることができる。
[0032] また、側面隙間 Gにおける非-ユートン流体 9の流れ場が計算されることから粘度に よる圧力損失が求まり、圧力勾配に基づいて砲弾型ボブ 2の底面部 20での圧力上昇 量 Δ Pを算出し、当該圧力上昇量 Δ Pを基に底面押し上げ抗カ Fpを求める。
[0033] さらに、流量 Qを決定して側面隙間 Gでの速度分布 Vを見積もり、これにより砲弾型 ボブ 2の側面部 11に作用する壁面せん断応力が見積もられ、これを基に粘度抵抗力 Fvを求めることができる。
[0034] 以上により上述した式（1)を用いて法線応力による押し下げ力 Fnを求め、次式 [0035] [数 2]
(J = Fn I A gap - - - (2)
によって平面伸張応力 σを求めることができる。ここで Α は、図 3 (A)に示すように、
gap
側面隙間 Gの水平断面積を表し、 π -R2- π 'r2で求めることができる。この場合 Rは 、図 3 (B)に示すように収容部 10の半径を表し、 rは Z軸の任意の高さ Z1での砲弾型 ボブ 2の半径を表す。なお Z軸は、図 4に示すように砲弾型ボブ 2の底面部 20から上 面部 13に向力 鉛直方向（すなわち非-ユートン流体 9の流れ方向）を表し、任意の 高さ Z1は砲弾型ボブ 2の高さ dよりも小さいものである。
[0036] ところで非-ユートン流体 9に砲弾型ボブ 2を押し込んだとき、側面隙間 Gを通り抜 ける非ニュートン流体 9の平均速度は、流れ方向に向かって一定の割合で速くなる。 このような非ニュートン流体 9の流速が速くなる割合 (すなわち流体速度増加割合)を 表す平面伸張速度 は、次式
[0037] [数 3]
Figure imgf000009_0001
で求めることができる。ここで roは砲弾型ボブ 2における底面部 20の半径を表す。こ のように流体速度増加割合としての平面伸張速度 ε ' は、砲弾型ボブ 2の外郭寸法 と、当該砲弾型ボブ 2の押し込み速度 Vとにより決定することができる。
[0038] 力べして平面伸張粘度 7? は、次式
ΡΕ
[0039] [数 4]
Figure imgf000009_0002
によって平面伸張速度 ε ' と平面伸張応力 σとの比を取ることにより求めることがで きる。このようにして砲弾型ボブ 2の押し込み速度 Vを適宜変化させて平面伸張速度 ε ' と平面伸張粘度 r? との関係を解析することができる。
PE
[0040] (2)平面伸張粘度測定装置
図 1に示したように、上述した本発明による平面伸張粘度測定方法を実行する平面 伸張粘度測定装置 1は、平面伸張粘度計 3がパーソナルコンピュータ PCに接続され た構成を有する。
[0041] 平面伸張粘度計 3は、容器 6の収容部 10に砲弾型ボブ 2を押し込んでゆき、当該砲 弹型ボブ 2が非-ユートン流体 9から受ける鉛直方向への反力 Fをロードセル 8で測 定し得るように構成されて 、る。
[0042] 因みに、この平面伸張粘度計 3は、従来と同様にボブ支持部材 7を回転させると共 に（図 3 (A) )、このとき砲弾型ボブ 2が非-ユートン流体 9から受ける回転方向への抵 抗カを測定し得るようにも構成されて 、る。
[0043] 実際上、図 3 (B)に示したように、容器 6は、有底円筒状に形成されており、その中 心軸が砲弾型ボブ 2の中心軸 21と一致するようにベース台 5上に載置され、下降した 砲弾型ボブ 2全てを収容部 10内に収納し得るように構成されて 、る。
[0044] 収容部 10は、砲弾型ボブ 2の水平断面形状と同一形状力 なり、かつその半径尺が 砲弾型ボブ 2の上面部 13での半径 r (d)よりも大きくなるように選定され、当該砲弹型 ボブ 2が収容部 10内に挿入されたときに、内壁 12と砲弾型ボブ 2の側面部 11との間に 環状の側面隙間 Gを形成し得るようになされて 、る（図 3 (A) )。
[0045] ここで側面隙間 Gは、収容部 10の半径 R及び砲弾型ボブ 2の半径 rに比して小さく 選定されていることにより、当該側面隙間 G内に流れ込んだ非ニュートン流体を二次 元流れとみなすことができるように構成されて 、る。
[0046] 砲弾型ボブ 2は、例えばステンレスで形成されており、上面部 13から底面部 20へゆ くに従って半径 rが次第に幅狭になる台形円錐状で、かつ当該底面部 20と側面部 11 との間の角部がなだらかな曲線となるように湾曲状に形成されている。このように砲弾 型ボブ 2は、収容部 10内において内壁 12との距離 h力 上面部 13にゆくに従って次 第に狭くなるように形成されていることにより、収容部 10内へ押し込んだとき、当該側 面隙間 G内において非ニュートン流体 9を所定の加速度で流動させ、当該非ニュート ン流体 9を平面伸張流動状態とさせ得るように構成されて 、る。 [0047] 実際上、砲弾型ボブ 2は、図 4に示したように、半径 rが非-ユートン流体の平面伸 張速度 ε 'や押し込み速度 V等を基に次式、
[0048] [数 5] ■
V ― i
Figure imgf000011_0001
… ） によって表される。すなわち、この砲弾型ボブ 2の外径寸法は、収容部 10の半径 Rや 、昇降駆動部 4による砲弾型ボブ 2の押し込み速度 V等によって決定されるようになさ れている。
[0049] 因みに、この実施の形態の場合、ボブ支持部材 7の先端には、図示しないねじ山が 螺刻されており、当該ねじ山に砲弾型ボブ 2が着脱自在に装着され得る。これにより ボブ支持部材 7の先端にはユーザが適宜選択した種々の大きさや形状でなる砲弾 型ボブ (後述する）を装着し得るようになされて 、る。
[0050] ところで、図 5に示すように、パーソナルコンピュータ PCでは、ユーザにより例えば キーボードでなる入力部 31が操作されることによって平面伸張粘度測定に関する種 々のデータが入力される。
[0051] 入力部 31はユーザによって入力されたデータをデータバス 32を介して CPU33に供 給する。応力算出手段及び粘度算出手段としての CPU33は ROM(Read Only Mem ory)34に格納されている平面伸張粘度測定処理プログラムに従って平面伸張粘度測 定を行うようになされており、入力部 31力も入力されたデータと、ロードセル 8から外部 インターフェース 37を介して得られた反力データとを用いながら、平面伸張粘度測定 を行う。このとき、 CPU33は演算結果等のデータを必要に応じて RAM(Random Acce ss Memory)35に格納しながら、平面伸張粘度測定を実行する。 CPU33は、このよう にして実行された測定結果を、モニタ 36において種々の表示形態で表示する。
[0052] ここで、ユーザが入力部 31を操作することによって平面伸張粘度測定の実行開始 を指定すると、 CPU33は ROM34に格納されている平面伸張粘度測定処理プロダラ ムに従って平面伸張粘度測定処理を実行する。この場合、 CPU33は、外部インター フェース 37を介して平面伸張粘度計 3に駆動信号を送出する。 [0053] これにより平面伸張粘度計 3は、昇降駆動部 4を駆動させることにより砲弾型ボブ 2 を下降させ、図 3 (A)に示したように、ロードセル 8による測定開始前に予め砲弹型ボ ブ 2全てを非-ユートン流体 9内に浸漬させておく。
[0054] 次いで、平面伸張粘度計 3は、ロードセル 8により反力 Fの測定を開始するとともに、 図 6に示すように測定開始力も所定時間 tl (例えば 10s)まで砲弾型ボブ 2を停止さ せ続ける。また平面伸張粘度計 3は、所定時間 tl経過後から所定時間 t2 (例えば 50 s)まで (以下、これを押し込み時間 Δ tlと呼ぶ)再び昇降駆動部 4を駆動させて非二 ユートン流体 9内に砲弾型ボブ 2を押し込み速度 Vで押し込んでゆき、所定時間 t2を 経過すると、砲弾型ボブ 2を停止させる。
[0055] これに加えて平面伸張粘度計 3は、測定開始力 所定時間 t2までロードセル 8によ つて反力 Fを測定するとともに、さらに所定時間 t2経過後から所定時間 t3 (例えば 50 s)までの間ロードセル 8によって反力 Fを測定し、これら一連の測定結果を反カデー タとしてパーソナルコンピュータ PCに送出する。
[0056] 因みに、この実施の形態の場合、砲弾型ボブ 2を収容部 10に押し込むことができる 距離が例えば 6mmと少ないため、押し込み時間 A tlを約 50sと固定し、砲弾型ボブ 2の押し込み速度 Vを 0. 001〜0. ImmZsの間で適宜設定し得るように構成されて いる。
[0057] パーソナルコンピュータ PCの CPU33は、平面伸張粘度計 3から受け取った反カデ ータをー且 RAM35に格納するようになされている。 CPU33は、上述した（1)式を用 いて法線応力による押し下げ力 Fnを算出するために、粘性抵抗力 Fvと、底面押し上 げ抗カ Fpと、増加浮力 Fbとを算出する。
[0058] ここで増加浮力 Fbは、次式
[0059] 園
― τ _, 2 / . J\sha†t
Ft = P K Rshaft · ( l + p2 D Vtg - - - (6)
K― Kshaft によって求まる。この場合、 は粘度測定対象たる流体 (この場合、非-ユートン流 体)の密度を表し、 R はボブ支持部材 7の半径を表し、 gは重力加速度を表す。 [0060] なお、式 (6)の括弧内の第 1項 (左側の項）はボブ支持部材 7の沈み込みによって 生じる浮力を表し、当該式 (6)の括弧内の第 2項 (右側の項）は側面隙間 G力 排出 した非-ユートン流体 9の液面上昇による浮力を表す。
[0061] ここで式 (6)にお 、ては、ボブ支持部材 7の半径 R や流体密度 p等の各値が入 shaft
力部 31を介してユーザにより入力され、 CPU33は、押し込み速度 V及び押し込み時 間 A tlを基に Fbを求める。
[0062] また、粘性抵抗力 Fvは、次式
[0063] [数 7]
Fv = U · T w - As - " (7) によって求められる。ここで はせん断粘性係数を表し、従来用いられている回転粘 度計（回転粘度計）によって予め測定しておいたものである。また Aは砲弾型ボブ 2
S
の側面部 11における表面積 (側壁面積)を表す。さらに γ は壁面せん断速度を表し
W
、砲弾型ボブ 2における側面隙間 Gの流入口及び流出口でのべき乗則を考慮した速 度分布 V力も求めることができる。
[0064] 因みに、側面隙間 Gでの速度分布 Vは、単位時間あたりの流量 Qより見積もるが、こ の速度分布 Vは、通常の粘度測定によりずり速度と粘度との関係を求めておき、べき 乗則等の方程式を用いて求める。なお流量 Qは、次式
[0065] [数 8]
Figure imgf000013_0001
によって決定される。ここで Aは砲弾型ボブ 2における底面部 20の底面積を表し、 π
Β
• (ro) 2から求めることができる。
[0066] さらに面押し上げ抗カ Fpは、次式
[0067] [数 9]
Figure imgf000013_0002
によって求めることができる。ここで Δ Ρは砲弾型ボブ 2に作用する圧力上昇量を表し 、圧力勾配を表す式を基に求められる。
[0068] このようにして CPU33は、粘性抵抗力 Fvと、底面押し上げ抗カ Fpと、増加浮力 Fb とを算出するとともに、ロードセル 8によって測定した反力 Fを用いて式（1)から押し下 げカ Fnを求める。
[0069] また CPU33は、設定した押し込み速度 V等を基に式（3)から平面伸張速度 ε 'を求 めた後、当該平面伸張速度 ε 'と押し下げ力 Fnとを基に式 (4)から平面伸張粘度 7?
P
を求めるようになされて!ヽる。
E
[0070] さらに流体からの反力 Fを測定すると、 CPU33はロードセル 8による測定結果を RA M35に格納するとともに、図 7 (B)に示すように、押し込み速度 Vに応じた解析結果（ 例えば D11は押し込み速度 Vが 0. OlmmZSのときの解析結果）をモニタ 36に可視 表示する。これにより、ユーザはモニタ 36に表示された波形の分布状態力 このとき 解析した非-ユートン流体 9の平面伸張粘度の状態を把握することができる。
[0071] 因みに図 7 (B)に示した解析結果は、図 8 (A)に示すような砲弾型ボブ 40を用いた ときのものであり、また収容部 10の半径 Rを 14. 46mmとし、非-ユートン流体 9として ひも状ミセルを形成する界面活性剤水溶液 (CTAB (臭化セチルトリメチルアンモ-ゥ ム） ZNaSal (サリチル酸ソーダ） )を用いたときのものである。この場合パーソナルコン ピュータ PCには、ユーザにより入力部 31が操作されることによって、弹型ボブ 40の底 面積や側壁面積、押し込み速度 V等の平面伸張粘度測定に関して必要な種々のデ ータが入力されることになる。
[0072] なお、上述した実施の形態にぉ 、ては、固形状に形成し難 、低粘度の非-ユート ン流体 9を適用するようにした場合について述べた力 本発明はこれに限らず、固形 状に形成し難い低粘度のニュートン流体等の各種低粘度流体を適用することができ る。因みに図 7 (A)は、砲弾型ボブ 40を用いて-ユートン流体 (例えば、粘度計校正 用標準液 (JS2000) )につ 、て解析した結果である。
[0073] 実際上、砲弾型ボブ 40は、図 8 (A)に示すように、短台形円錐状でなる砲弾部 41と 、円柱部 42とが一体成形された構成を有する。この場合、砲弾部 41は、半径が上面 部 43へゆくに従って次第に幅広になるように形成されて!、ることから、非-ユートン流 体 9内への押し込みにより収容部 10との間の側面隙間 Gにおいて当該非ニュートン 流体 9を所定の加速度をもって流動させ得る。これにより非ニュートン流体 9は、側面 隙間 G内において平面伸張流動状態となる。
[0074] 因みに、この場合、砲弾型ボブ 40は、砲弾部 41の高さが約 10mmに選定され、円 柱部の高さが約 20mmに選定され、砲弾部 41における上面部 43の直径 Φが約 27.
67998mmに選定され、底面部の半径が約 10mmに選定された構成を有する。
[0075] そして、このパーソナルコンピュータ PCでは、波形の色を押し出し速度 Vに応じて 種々変更することにより、種々の押し出し速度 Vにより測定された反力 Fを 1つの画面 上に表すことができる。
[0076] またパーソナルコンピュータ PCでは、入力部 31の切換操作によって、ニュートン流 体 (JS2000)及び非ニュートン流体 (CTAB)毎に押し込み速度 Vに応じた平均反力 F (ave)を算出し、図 9 (A)に示すように、当該平均反力 F (ave)の変化を 1つの画面 上に表すこともできる。
[0077] さらに、平面伸張粘度測定装置 1では、図 8 (B)及び (C)に示すような砲弾型ボブ 5 0,60等を平面伸張粘度計 3に順次装着し、これら砲弾型ボブ 50,60毎に得られた複数 の測定結果を、図 9 (B)に示すように、モニタ 36において 1つの画面上に表すこともで きる。なお図 9 (B)は非-ユートン流体として上述した界面活性剤水溶液 (CTAB)を 用いた測定結果を示したものである。
[0078] (3)動作及び効果
以上の構成において、平面伸張粘度計 3では、固形状に形成し難い低粘度の非- ユートン流体 9であっても、収容部 10に入れて砲弾型ボブ 2を押し込むことにより、当 該低粘度流体を側面隙間 Gにおいて平面伸張状態にできる。
[0079] この場合、平面伸張粘度計 3では、砲弾型ボブ 2と収容部 10との水平断面形状が 同一形状でなり、かつ砲弾型ボブ 2の中心軸 21を容器 9の中心軸と一致させた状態 で押し込むようにしたことにより、側面隙間 Gにおいて均一な平面伸張流動を実現で きる。
[0080] また、平面伸張粘度計 3では、このとき砲弾型ボブ 2が受ける反力 Fを測定するとと もに、その測定結果をパーソナルコンピュータ PCにリアルタイムで送出する。
[0081] これによりパーソナルコンピュータ PCでは、砲弾型ボブ 2の外郭寸法を基に砲弾型 ボブ 2に作用する押し上げ力（すなわち増加浮力 Fb、底面押し上げ抗カ Fp及び粘 性抵抗力 Fv)を算出し、これら算出された押し上げ力と、反力 Fと、側面隙間 Gの水 平断面積とに基づいて当該側面隙間 Gでの平面伸張応力 σを算出する。
[0082] 次いで、パーソナルコンピュータ PCでは、砲弾型ボブ 2の外郭寸法と、当該砲弾型 ボブ 2の非ニュートン流体 9内への押し込み速度 Vとを基に算出した平面伸張速度 ε 'で平面伸張応力 σを除することにより、非ニュートン流体 9の平面伸張粘度 η を求
ΡΕ
めることができる。この結果、平面伸張粘度測定装置 1では、固形状に形成し難い非 ニュートン流体 9について平面伸張粘度 7? の解析を容易に進めることが可能になる
ΡΕ
[0083] また、平面伸張粘度測定装置 1では、従来用いられている回転粘度計の円柱状ボ ブを砲弾型ボブ 2に取り換えるとともに、上述した式（1)〜 (4)等の各演算処理を行う ための平面伸張粘度測定処理プログラムをパーソナルコンピュータ PCに読み込ませ るだけで、従来の回転粘度計で測定不可能であった平面伸張粘度についても新た に測定することができる。
[0084] このように本発明は、従来から用いられて!/、る回転粘度計が備える昇降機やロード セル等の基本的機械構成をそのまま利用できるので、平面伸張粘度測定装置 1の製 造コストの低減を図ることができる。
[0085] 以上のようにこの実施例では、容器 6に砲弾型ボブ 2を押し込むことにより側面隙間 Gで非-ユートン流体 9を平面伸張状態とするとともに、このとき砲弾型ボブ 2が受け る反力 Fを測定し、この反力 Fとユーザが入力した各条件とを用いて式（1)〜 (4)に 従い演算処理を実行するようにしたことにより、高粘度の非-ユートン流体だけでなく 、固形状に形成し難 、低粘度の非ニュートン流体であっても平面伸張粘度を求める ことができ、力べして高粘度及び低粘度の流体について平面伸張粘度の解析を進め ることがでさる。
[0086] なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなぐ種々の変形実施が可能で ある。上述した実施の形態においては、パーソナルコンピュータ PCと平面伸張粘度 計 3とを別体に構成した平面伸張粘度測定装置 1を適用するようにした場合について 述べたが、本発明はこれに限らずパーソナルコンピュータ PCと平面伸張粘度計 3と を一体構成とした平面伸張粘度測定装置を適用するようにしても良い。

Claims

請求の範囲
[1] 粘度測定対象の流体が入った容器に、底面部が幅狭の砲弾型ボブを該底面部か ら押し込んでゆき、このとき前記砲弾型ボブが前記流体から受ける反力を測定する測 定ステップと、
前記砲弾型ボブの外郭寸法を基に前記流体が前記砲弾型ボブを押し上げる力を 算出し、該算出された押し上げ力と、前記反力と、前記砲弾型ボブ及び前記容器の 隙間の水平断面積とに基づいて前記隙間内で生じる平面伸張応力を算出する応力 算出ステップと、
前記砲弾型ボブの外郭寸法と、前記砲弾型ボブの流体内への押し込み速度とを基 に算出した前記隙間内での流体速度増加割合で、前記平面伸張応力を除すること により平面伸張粘度を算出する粘度算出ステップと
を備えたことを特徴とする平面伸張粘度測定方法。
[2] 前記応力算出ステップは、
前記反力から前記押し上げ力を減算することにより、前記隙間内での平面伸張変 形による押し下げ力を求め、前記隙間の水平面積で前記押し下げ力を除することに より前記平面伸張応力を算出する
ことを特徴とする請求項 1記載の平面伸張粘度測定方法。
[3] 前記応力算出ステップは、
前記砲弾型ボブを前記流体へ押し込むことによる増加浮力と、
前記砲弾型ボブの底面部に作用する底面押し上げ抗力と、
前記隙間内で前記砲弾型ボブに作用する粘性抵抗力とを合算することにより前記 押し上げ力を算出する
ことを特徴とする請求項 1又は 2記載の平面伸張粘度測定方法。
[4] 粘度測定対象の流体が入った容器に、底面部が幅狭の砲弾型ボブを該底面部か ら押し込んでゆく押し込み手段と、
前記砲弾型ボブを前記流体に押し込んだときに前記砲弾型ボブが前記流体から 受ける反力を測定する測定手段と、
前記砲弾型ボブの外郭寸法を基に前記流体が前記砲弾型ボブを押し上げる力を 算出し、該算出された押し上げ力と、前記反力と、前記砲弾型ボブ及び前記容器の 隙間の水平断面積とに基づいて前記隙間内で生じる平面伸張応力を算出する応力 算出手段と、
前記砲弾型ボブの外郭寸法と、前記砲弾型ボブの流体内への押し込み速度とを基 に算出した前記隙間内での流体速度増加割合で、前記平面伸張応力を除すること により平面伸張粘度を算出する粘度算出手段と
を備えたことを特徴とする平面伸張粘度測定装置。
[5] 前記応力算出手段は、
前記反力から前記押し上げ力を減算することにより、前記隙間内での平面伸張変 形による押し下げ力を求め、前記隙間の水平面積で前記押し下げ力を除することに より前記平面伸張応力を算出する
ことを特徴とする請求項 4記載の平面伸張粘度測定装置。
[6] 前記応力算出手段は、
前記砲弾型ボブを前記流体へ押し込むことによる増加浮力と、
前記砲弾型ボブの底面部に作用する底面押し上げ抗力と、
前記隙間内で前記砲弾型ボブに作用する粘性抵抗力とを合算することにより前記 押し上げ力を算出する
ことを特徴とする請求項 4又は 5記載の平面伸張粘度測定装置。
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