TwinDriveTM:安东帕扩展旋转流变仪测量能力的新概念

量 (CMT) TwinDrive：安东帕旋展旋转流变仪测量能力的新概念 摘要：TwinDriveM， 全新的流变仪概念，它包含两个空气轴承支撑的马达。在一台流变仪上同时使用两个马达，提高了流变仪的灵敏度，同时具备前所未有的全新的测试能力。三种不同的测试模式：组合马达和传感器(CMT)， 马达和传感器分离(SMT)和两个马达反向旋转，可以在一台流变仪上实现。它到底能实现怎样的性能提升，又能使哪些过去不可能实现的设想成为可能?6种开创性应用的详细介绍，尽在本文。 关键词：旋转流变学，反向旋转，马达和传感器分离 引言 大多数技术的发展是在不断的进行着小且经常性的改进。不过，偶尔会有一次大的跳跃或者说是革命性的突破发生。在流变仪技术的发展中也是如此。1948年Weisenberg Rheogoniometer 的应用一一个大的跳跃。1968年 Davis 和 Plazek 发明了空气轴承支撑的托杯马达是一个大的跳跃。1985年的力矩再平衡传感器的采用，1995年的电子整流(EC)马达(也称无刷直流马达)和数字信号处理器(DSP)的应用也是一个大的跳跃。在我们看来，尽管有其它重大的进步，但本质上是对现有技术的改进。 现在又一个革命性的突破出现了。AntonPaar公司推出的最新的基于TwinDriveTM的全新技术的 MCR702 流变仪。它包括两个强大的模块化设计的同步EC(电子整流)马达。流变仪上面的 EC 马达是固定的，下面的EC 马达可以拆下或者安装上。图1中是有两个 EC 马达的配置的流变仪。流变仪上面的马达和标准流变仪一样，下面的马达更像是标准流变仪的一个附件，它是可以更换的。 温度控制单元采用的是电加热或 Peltier 对流控温(在图1中没有显示)。新开发的Peltier 对流装置结合了 Peltier 控温的方便使用和温度分布均匀的优点。 图1：流变仪的剖面图 新的流变仪系统可以在3种不同的测试模式下操作，如图2所示，在下面会详细描述。 图2：流变仪系统三种不同操作模式图：左-反向旋转，中间-下面的马达旋转，上面的马达测量扭矩(SMT)，右-上面的马达旋转和测 反向旋转模式 MCR702 流变仪在反向旋转的模式下时，两个EC同时作为马达和扭矩传感器。马达设定相反的方向旋转，也可以平行旋转。预设的速度分别由两个马达分配和共享。这种模式是显微镜应用的一种重要选择，在这个模式下可以观察样品颗粒和结构，因为在剪切模式下很难观察，样品颗粒或结构不能固定在显微镜中。 在反向旋转模式下，旋转测试可以采用两个马达向相反的方向旋转的方式进行。这样，在测试的样品中有一个固定的停滞平面，因此可以很容易的用显微镜进行观察。用户可以通过调整两个马达各自的旋转速度来控制停滞平面的位置，而两个马达仍然保持着相同的速度差。 对于速度来说，反向旋转模式实现了“事半功倍”。因为两个马达的最大速度差是单一马达的速度的两倍，最大的速度差是加倍的-最大可达6000rpm。 为了确定所需的流变参数，速度是通过两个马达‘单独速度’速度差来确定的，扭矩是由上面的马达测量并记录的。 这种模式的一个额外的应用是拉伸流变测试，在这个测试中，样品，如聚合物熔体通过反向旋转辊进行测量。因为扭矩直接由空气轴承支撑的马达测量，而没有额外的机械轴承的任何干扰，可以得到非常低的扭矩数据。 SMT模式 马达和传感器分离的模式(SMT)， 使用两个马达，但是马达以同步的方式旋转。个马达保持在一个固定的位置，他仅仅作为一个扭矩传感器，而另-一个马达作为驱动单元。在这种模式下， MCR702 变成了一个增强型马达和传感器分离的流变仪，可以在一个很宽的测量范围内进行旋转和振荡测试，甚至可以降到极低的扭矩和法向应力范围。 由于 EC 马达快速的反应时间，马达能力的分离提供了收集样品扭矩数据的能力，甚至是在瞬态试验条件下的加速过程中。 同时， SMT 模式为法向应力测量提供了更高的灵敏度和新的测试可能性。法向应力可以在两个方向上测量，开辟了一系列新的应用。更重要的是，现在，两个马达提供了两个独立的原始数据：扭矩，偏转角度，这为样品的法向应力和流变测试提供了更多的信息。由于两个马达由相同的控制器控制，传感器和驱动单元在同一系统中不断地沟通，，I可以立即适应，相互配合。 CMT 模式 在组合马达传感器(CMT)测量模式下，需要将下部 EC 马达拆除，保留上部的马达，MCR702 就成为了标准的单头驱动单元和扭矩传感器的流变仪。在 CMT 或单马达模式下，马达测量和控制所需的参数在同一时间获取。通过旋转控制剪切速率或剪切应力模式可以得到无数种单马达流变仪的应用。 在CMT模式下， MCR702流变仪可以装配任何您所需的控温模块或特殊应用附件。 样品测量 为了展示在 SMT 模式下流变仪更优异的灵敏度，在这个模式下做了一些样品的测试。 图3：低粘度的三种不同流体(水，矿物油和硅油)的粘度和扭矩曲线。黑色的线是扭矩为 5nNm的水平线 图3显示了三种不同粘度的流体的粘度和扭矩随剪切速率的变化而变化的曲线，三种流体的粘度分别为0.94mPas(水，23℃)，3.5mPas(矿物油，25℃)， 9.5mPas(硅油，25℃)。测量系统为25mm直径，锥角为1° 的锥板。通过严格的检查可以发现，当扭矩的测量值低到5nNm附近时，结果允许保持在5%以内的偏差。 在图4的振荡频率扫描测试中，形变是100%，样品为水和两种低粘度的矿物油。这三个测试都是在25℃下，采用50mm 直径，0.5°锥角的锥板进行测试。选择这么小的锥角是为了避免高频下流体惯量的影响。 图4：25℃下，水和两种矿物油的频率扫描 正如在图4中所看到的，频率扫描测试跨域了4个数量级，角频率最高达到了100rad/s，甚至是水也可以测量到。 我们可以用 50mm 直径，2°锥角的锥板测试1000mPas 的高粘度的硅油样品作为例子来看一下法向应力的表现。图5是粘度和法向应力随剪切速率的变化而变化的曲线，测试是在相同的条件下5次测量的结果。即使是在很小的法向应力下，也可以观察到样品很好的重现性。 图5： 高粘度硅油的粘度和法向应力。图中为5个人测试的数据 图6是和图5样方式得到的相同的第一法向应力差和第一法向应力系数。在相对较小的剪切速率下这两个参数也具有可重复性。 图6：高粘度硅油的第一方向应力差和第一法向系数。数据是5个不同的人得到的 结论 本文介绍了一种全新的流变仪，流变仪上有两个功能齐全的 EC马达，两个马达位于彼此相反的位置。对于全新的测试方式，如反向旋转可以在这个流变仪上进行，同时，扭矩和法向应力有更高的灵敏度。另外，流变仪可以即进行马达传感器分离模式(SMT)，也可以进行组合马达传感模式(CMT)的测试。毫无疑问，新的流变仪系统被公认为是旋转流变仪历史上最伟大变革中的一个。