流變學 模仿流掛和流平現象

作者：

Robert G. McGregor，全球營銷和高端實驗室儀器銷售總監，AMETEK Brookfield博勒菲專業儀器控制部門；

Barry Ridley，RS流變儀和粉末流量測試器銷售經理，Ametek （GB） Limited

「蠕變」是用來描述在恆定力下物質形變或者流動的專業名詞，當用刷子將塗料塗在水平表面上時，由於刷子的鬃毛而產生的紋路就會立刻顯現出來。這些紋路可能會在很短的時間內消失從而形成非常光滑的表面，這種流動現象就叫做「流平」。當用刷子將塗料刷在牆上時，塗料液滴可能會突然匯聚然後沿著牆壁下滑，這種現象稱為「流掛」。流平是可取的，而流掛則不是。塗料生產商必須評估新配方的這些特性，從而保證塗料的流動性能滿足客戶的要求。

在上面的例子中重力是影響流動性的作用力，與在水平面或垂直面的塗刷操作相比，重力是一個相對較小的力。與快速塗刷相比，在流平和流掛現象中，塗料的流動行為較為滯後。在檢測流掛和流平性質時必須模擬這些條件，也就是在塗料上作用一個低強度的力並延長時間間隔——保證塗料配方的性能達標。

採用壓力可控的流變儀可用於一些合適的實驗，因為它可以向塗料施加像重力一樣的力。圖1是一個錐板型流變儀，用圓錐錠來測試放在儀器樣品板上的塗料，「樣品板」是一個溫度可控的平面。錐錠的選擇（圖2）取決於樣本數量和預期的粘度範圍。直徑大的錐錠（75毫米）適用於低粘度的塗料，小直徑（25毫米）更適用於高粘度的塗料。所需的樣本容量為2毫升或更少，這樣可以在實驗方法運行前使樣品達到實驗理想的狀態。

該測試方法是儀器通過可控的扭矩對樣品施加一個恆定的力，當樣品被加熱到理想溫度後，流變儀的電機轉動產生扭矩從而帶動錐錠產生低強度的等效於重力的力，錐錠的運動由儀器的光學編碼器記錄，通過測量錐錠相對於初始位置的旋轉次數繪製出與時間的函數，監控對樣品的剪切作用，輸出的數據包括錐錠的位移、與時間對應的剪切速率。

圖3所示為兩個不同樣品的蠕變測試結果，x軸是時間，單位為秒，y軸是應變，由錐錠相對於它的初始位置經過旋轉運動測試計算得出。曲線的形狀解釋了在應力作用的時間段內樣品的運動發生的變化。曲線上升表示當作用力較低時樣品的初始反應。頂部的曲線繼續上升，這表明蠕變運動正在進行。短時間間隔後底部的曲線變緩（開始變平），是由於錐錠的微小旋轉所致，可忽略。如果曲線是完全水平，表明錐錠不再旋轉。樣品中由於化學鍵產生的應力可能足夠大從而阻止了錐錠的轉動。

在塗料行業很多研發部門中，用蠕變標準方法檢測可證明新配方合格，質量控制（QC）部門主要使用剪切率和屈服應力的測量來進行產品合格判定。一些公司已經開始在具有優越性能的優質塗料的質量控制中使用蠕變測量。例如快乾漆，必須要快速流平從而保證表面光滑，甚至達到客戶期望的質量要求。壓力可控的流變儀是測試此項性能的關鍵工具，不僅在研發部門，而且在品質控制部門，流變儀的同樣使用越來越廣泛。流變儀比標準的旋轉粘度計價格貴，但是能提供額外的測量能力，包括蠕變測量，屈服應力測量和更快速標準剪切速率測量。在使用的第一年投資就會很容易收回。

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