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技術文章

粘度計算公式

黏度是測量流體內在摩擦力的所獲得的數值。當某一層流體的移動會受到另一層流體移動的影響時，此摩擦力顯得極為重要。摩擦力愈大，我們就必須施予更大的力量以造成流體的移動，此力量即稱為 ”剪切（shear）”。剪切發生的條件為當流體發生物理性地移動或分散，如傾倒、散布、噴霧、混合等等。高黏度的流體比低黏度的材料需要更大的力量才能造成流體的流動。牛頓以圖4-1的模式來定義流體的黏度。兩不同平面但平行的流體，擁有相同的面積”A”，相隔距離”dx”，且以不同流速”V1”和”V2”往相同方向流動，牛頓假設保持此不同流速的力量正比于流體的相對速度或速度梯度，即： F/A ＝ ηdv/dx 其中η與材料性質有關，我們稱為”黏度”。速度梯度，dv/dx，為測量中間層的相對速度，其描述出液體所受到的剪切，我們將它稱為”剪速（shear rate）”，以S表示；其單位為時間倒數（sec-1）。 F/A項代表了單位面積下，剪切所造成的合力，稱為”剪力（shear stress）”，以F代表；其單位為”達因每平方公分（dyne/cm2）”。使用這些符號，黏度計可以下列數學式定義： η＝黏度＝F/S＝剪力/剪速黏度的基本單位為 ”poise”。我們定義一材料在剪力為1達因每平方公分、剪速為1 sec-1下的黏度為100 poise。測量黏度時，你可能會遭遇到黏度的單位為 “Pa˙s” 或 “mPa˙s” 的情況，此為國際標準系統，且有時較被公制命名所接受。1 Pa˙s等于10 poise；1 mPa˙s等于1 cp。牛頓假設所有的材料在固定溫度下，黏度與剪速是沒有相關的，亦即兩倍的力量可以幫助流體移動兩倍的速度。就我們所知，牛頓的假設只有部分是正確的。牛頓流體牛頓稱具有此形式流動行為的所有流體，皆稱為”牛頓（Newtonian）”，然而這只是你可能遭遇到的流體中的其中一種而已。牛頓流體的特性可參考圖4-2；圖A顯示剪力（F）和剪速（S）之間為線性關系；圖B顯示在不同剪速下，黏度皆保持一定。典型的牛頓流體為水與稀薄的機油。上述代表的意義即為在固定溫度下，不論你所使用的黏度計型號、轉子、轉速為何，牛頓流體的黏度皆保持一定。標準Brookfield黏度值為以Brookfield儀器在某一剪速范圍內所測之值，這就是為什么牛頓流體可以在所有我們的黏度計型號下操作。牛頓流體明顯地為*容易測量的流體－只要拿出你的黏度計并操作它即可。不幸的是，更常見且更復雜的流體－非牛頓流體，我們將在下一節中介紹。非牛頓流體概略的定義為F/S的關系不為常數，亦即當施予不同的剪速，剪力并不隨著相同比例變化（或甚至同一方向）。這些流體的黏度會受到不同剪速的影響，同時，不同型號黏度計的設定參數、轉子、轉速都會影響到非牛頓流體的黏度值。此測量的黏度值稱為流體的”表觀黏度（apparent viscosity）”，其值為正確的只有當實驗的參數值被正確的設定且精準的測得。非牛頓流體流動可以想象成流體為不同形狀和大小的分子所組成，當它們流經彼此，亦即流動發生時，需要多少力量才能移動它們將取決于它們的大小、形狀及黏著性。在不同的剪速下，排列的方式將會不同，而且需要更多或更少的合力才能保持運動。辨別不同非牛頓流體的行為，可由剪速的??異得到流體黏度的變化，常見非牛頓流體的形式包括：擬塑性的（pseudoplastic）：此形式流體的特性為當剪速增加時，會伴隨著流速的減少，其可能為*常見的非牛頓流體。擬塑性流體包括油漆、乳液和各種不同形式的流體。此類流體的行為有時候可稱為”shear thinning”。膨脹性的（diltant）：膨脹性的流體其特性為流速隨著剪速的增加而增加。雖然膨脹性流體不如擬塑性流體常見，然而膨脹性流體常可由存在有不會聚集固體的流體中看到，如泥漿、糖果合成物、玉米淀粉類與水的混合物以及沙/水混合物。此類流體的行為也可稱為”shear thickening”。塑性的（plastic）：此類流體的行為就如同固體處在靜電的環境中。在流體流動前，我們就必須先施予流體某一力量，此力量稱為“屈服力（yield value）”。此類流體典型的例子為蕃茄醬，其產值造成蕃茄醬無法直接從罐子中倒出，除非我們先搖動或敲擊。當產值超過上限值時，流體開始流動。塑性流體包含有牛頓流體、擬塑性流體、膨脹性流體的特性。到目前為止我們只有討論非牛頓流體剪速的效應，當我們同時考慮時間效應時，有會有什么問題發生?此問題使得我們必須討論其它兩類非牛頓流體：”搖變性的（thixotropic）” 和 “流變性的（rheopectic）”。

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