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流動特性檢測

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發(fā)布時間：2025-08-07 03:45:53 更新時間：2025-08-06 03:45:53

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作者：中科光析科學(xué)技術(shù)研究所檢測中心

流動特性檢測

流動特性，描述的是物質(zhì)（包括液體、熔體、膏體、粉末、顆粒等）在外力作用下發(fā)生流動和變形的行為特性。它是材料科學(xué)、化工、制藥、食品加工、建材、石油、化妝品等多個工業(yè)領(lǐng)域極其重要的基礎(chǔ)物性參數(shù)。準(zhǔn)確地了解和把控材料的流動特性，對于產(chǎn)品配方設(shè)計、工藝優(yōu)化（如混合、泵送、擠出、涂布、填充、壓片）、設(shè)備選型設(shè)計、質(zhì)量控制、預(yù)測產(chǎn)品儲存穩(wěn)定性及最終使用性能都至關(guān)重要。不同的應(yīng)用場景對流動特性有不同的要求，有時需要高流動性以利于加工或填充，有時則需要一定的粘性或屈服應(yīng)力來維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定或防止沉降。因此，對材料的流動特性進(jìn)行科學(xué)、精準(zhǔn)的檢測與評估，是保障生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

流動特性檢測的核心在于量化物質(zhì)在特定條件下抵抗流動或發(fā)生流動的能力。其結(jié)果受到多種因素的影響，如溫度、壓力、剪切速率/應(yīng)力、作用時間、樣品處理歷史以及物質(zhì)本身的成分和微觀結(jié)構(gòu)（如分子量分布、顆粒形狀與大小分布、濃度等）。為了獲得具有可比性和指導(dǎo)意義的數(shù)據(jù)，檢測必須在嚴(yán)格控制的、標(biāo)準(zhǔn)化的或模擬實際應(yīng)用場景的條件下進(jìn)行。這使得流動特性檢測不僅是一項實驗室測試工作，更是連接材料基礎(chǔ)研究與實際工業(yè)應(yīng)用的橋梁。

流動特性的復(fù)雜性決定了其檢測方法和儀器的多樣性。沒有一種單一的方法或儀器能全面表征所有物質(zhì)在所有條件下的流動行為。因此，需要根據(jù)待測樣品的物理狀態(tài)（液體、半固體、粉末等）、關(guān)注的流動特性參數(shù)以及應(yīng)用背景，選擇合適的檢測項目、儀器、方法和執(zhí)行相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

檢測項目

流動特性檢測涵蓋多個具體指標(biāo)，主要包括：

1. 粘度： 這是最基礎(chǔ)也是應(yīng)用最廣泛的流動特性指標(biāo)，表征流體抵抗流動的內(nèi)摩擦力。對于簡單的牛頓流體，粘度是常數(shù)；對于常見的非牛頓流體（如假塑性、脹塑性、觸變性、震凝性流體），粘度會隨著剪切速率或剪切時間而變化。

2. 流變曲線： 即剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系曲線，全面描述了流體的流動類型（牛頓型、假塑性、脹塑性、賓漢塑性等）和粘度隨剪切速率變化的規(guī)律。

3. 屈服應(yīng)力： 對于具有塑性行為的流體（如膏體、某些懸浮液），使其開始流動所需的最小應(yīng)力。屈服應(yīng)力的大小決定了物料在低應(yīng)力下能否保持形狀穩(wěn)定（如不流淌、不分層）。

4. 觸變性/震凝性： 表征流體粘度隨時間變化的特性。觸變性指流體在恒定剪切速率下粘度隨時間下降（剪切變?。?，靜止一段時間后粘度恢復(fù)；震凝性則相反（剪切增稠）。

5. 粘彈性： 許多材料（如高分子熔體、凝膠）同時表現(xiàn)出粘性流動和彈性回復(fù)的特性。常用儲能模量（G'）、損耗模量（G''）、損耗角正切（tan δ）等參數(shù)來表征。

6. 熔體流動速率/熔融指數(shù)： 主要用于熱塑性聚合物，表示在特定溫度和負(fù)荷下，熔融樹脂在10分鐘內(nèi)通過規(guī)定直徑和長度的毛細(xì)管的質(zhì)量（MFR, g/10min）或體積（MVR, cm3/10min）。

7. 粉體/顆粒流動性： 對于粉末和顆粒物料，常用指標(biāo)包括休止角（Angle of Repose）、壓縮度/卡爾指數(shù)（Carr Index）、豪斯納比（Hausner Ratio）、流出速度、流動函數(shù)（FF）等，評估其自由流動、架橋、離析等傾向。

檢測儀器

根據(jù)檢測項目和樣品特性，主要使用以下類型的儀器：

1. 旋轉(zhuǎn)流變儀： 這是進(jìn)行精密流變測量的核心儀器。通過馬達(dá)驅(qū)動轉(zhuǎn)子（如錐板、平行板、同軸圓筒）旋轉(zhuǎn)或振蕩，精確施加剪切應(yīng)力或剪切速率，并實時測量樣品的響應(yīng)（扭矩、形變、相位角）。適用于幾乎所有可流動的樣品（液體、熔體、膏體、凝膠等），可測量粘度、流變曲線、屈服應(yīng)力、粘彈性（動態(tài)振蕩模式）、觸變性等。具有控溫精度高、剪切速率范圍寬、測量模式多樣等優(yōu)點(diǎn)。

2. 毛細(xì)管流變儀： 主要用于測量高剪切速率下的熔體粘度（模擬擠出、注塑等加工過程）。將熔體在恒定壓力或速度下強(qiáng)制通過細(xì)長的毛細(xì)管，通過測量壓力降和流速來計算粘度（表觀粘度）。特別適合測量聚合物熔體的流變行為，尤其是高剪切速率下的數(shù)據(jù)。

3. 熔體流動速率儀： 儀器結(jié)構(gòu)相對簡單，操作便捷標(biāo)準(zhǔn)。在規(guī)定的溫度和負(fù)荷下，利用活塞桿將熔融聚合物擠出規(guī)定尺寸的毛細(xì)管口模，測量在規(guī)定時間內(nèi)擠出的物料質(zhì)量（MFR）或體積（MVR）。是塑料行業(yè)質(zhì)量控制和生產(chǎn)批間一致性檢驗的常用方法。

4. 粘度計： 種類繁多，用于快速測定粘度，尤其適用于牛頓或近似牛頓流體。 * 旋轉(zhuǎn)粘度計： 原理類似流變儀但通常功能簡化（如布氏Brookfield, 斯托默Stormer），常用于快速測量液體粘度。 * 落球粘度計/落柱粘度計： 通過測量球體或柱體在液體中自由下落的速度來計算粘度（如H?ppler）。 * 毛細(xì)管粘度計： 測量流體在重力作用下流過細(xì)長毛細(xì)管所需的時間來推算粘度（如烏氏Ubbelohde, 奧氏Ostwald），常用于測定牛頓流體的運(yùn)動粘度（如油品、溶劑）。 * 杯式粘度計： 測量一定體積流體從特定孔徑的杯子中流盡所需的時間（如涂-4杯, Ford杯），廣泛應(yīng)用于涂料、油墨行業(yè)的現(xiàn)場快速測試。

5. 粉體流動性測試儀： 專門用于評估粉末和顆粒物料的流動性能。設(shè)備類型多樣： * 休止角測量儀： 通過固定漏斗法、傾斜平臺法或旋轉(zhuǎn)圓筒法測量粉體自然堆積形成的圓錐體斜面與水平面的夾角。 * 振實密度儀/松裝密度儀： 測量粉末在特定條件下（自由填充、振實后）的密度，用于計算壓縮度(CC)和豪斯納比(HR)。 * 剪切池測試儀（如Jenike Shear Tester）： 通過測量粉體在特定固結(jié)應(yīng)力下發(fā)生剪切破壞所需的力，獲得流動函數(shù)(FF)和壁摩擦角，用于料倉設(shè)計。 * 粉末流變儀： 更先進(jìn)的設(shè)備，采用類似旋轉(zhuǎn)流變儀的旋轉(zhuǎn)葉片或槳葉，在受控條件下測量粉體在剪切、壓縮等作用下的阻力，提供更全面的流變信息。

檢測方法

流動特性檢測的方法需根據(jù)所選儀器和標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格操作，核心步驟通常包括：

1. 樣品準(zhǔn)備： 確保樣品具有代表性，并按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行預(yù)處理（如干燥、熔融、恒溫、除氣泡、預(yù)剪切/固結(jié)）。樣品的制備方式和歷史對結(jié)果影響很大。

2. 儀器校準(zhǔn)： 使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（如標(biāo)準(zhǔn)粘度油）定期對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，確保測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

3. 測試條件設(shè)定： 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定或研究目的，精確設(shè)定關(guān)鍵參數(shù)： * 溫度： 溫度對粘度影響巨大，必須嚴(yán)格控溫（通常在±0.1°C或更高精度）。 * 剪切歷史： 在正式測量前，常需對樣品施加特定的預(yù)剪切以消除歷史效應(yīng)或達(dá)到結(jié)構(gòu)平衡。 * 剪切速率/應(yīng)力范圍： 根據(jù)預(yù)期應(yīng)用或標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)置合適的掃描范圍（如從低到高，或特定速率點(diǎn)）。 * 測量模式： 穩(wěn)態(tài)剪切（連續(xù)旋轉(zhuǎn)）、動態(tài)振蕩（小振幅振蕩）、蠕變/恢復(fù)（階躍應(yīng)力）、應(yīng)力松弛（階躍應(yīng)變）等。 * 幾何夾具選擇： 選擇合適尺寸和類型的轉(zhuǎn)子/平板/圓筒/毛細(xì)管，確保樣品量、剪切場均勻性、邊緣效應(yīng)等符合要求。 * 固結(jié)應(yīng)力（粉體）： 對于粉體剪切測試，需設(shè)定預(yù)固結(jié)應(yīng)力。

4. 數(shù)據(jù)采集與處理： 儀器自動記錄力/扭矩、位移/角度、頻率、相位角等原始數(shù)據(jù)，并通過軟件根據(jù)物理模型（如牛頓