JPS61137040A - 流体のレオロジ−特性の測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は粘弾性流体の粘性その他のレオロジー特性を測
定する方法および装置に関する。

〔従来技術〕

プラスチック産業の様な成る種の産業においては、プロ
セス内の成る位置において溶融プラスチックのレオロジ
ー特性を決定できることが望ましい。この位置は、血合
反応装置の出口であることもあり、配合装置、押出機、
または他の公知の装置の出口であることもある。レオロ
ジー特性を知るのは多くの理由から必要であり、特定の
プロセスにおいては、レオロジー特性の測定結果は閉ル
ープ式制御システムの人力信号として使用されたり、或
いは単に製品の品質管理に利用される。

プロセス用レオメータは市販されており、溶融プラスチ
ックに使用されている。この様なプロセス様レオメータ
は主として「オンライン」型であり、ギヤポンプに°よ
って主プロセス流からサンプリング用バイパス流が取り
出され、ギヤポンプは制御された流量でレオメータを通
って流体を流す様になっている。このオンライン方式の
主な欠点は、遅延時間が大きく、複雑で、高価であり、
非リニア粘弾性特性を測定できないことである。

「インライン」式の粘性測定を実施することも知られて
おり、この方式では、主プロセス流の管状領域の前後の
圧力降下が測定される（流量が判っている場合）。この
測定方法の欠点は、プロセス配管内の圧力変動が一般に
大きく、壁のところにおける真の剪断速度が判らないの
で真の粘性を決定できないことである。更に、溶融弾性
に関する情報を得ることができない。

ニュートン流体については、流体によって流路内のブレ
ードその他の障害物に作用する抗力を測定することによ
り粘性を検出する場合もある。しかし、この方法は非ニ
ユートン流体には適用できない。何故ならば、粘性は剪
断速度の局部的値に依存しており、この値は障害物の近
傍で大幅に変動するからである。

〔発明の概要〕

本発明の目的は、粘性流体または粘弾性流体のレオロジ
ー特性を測定するための貫流型レオメータを提供するこ
とである。

本発明の他の目的は、流動中の粘性流体または粘弾性流
体のレオロジー特性を測定する方法を提供することにあ
り、流体の成る種の粘弾性特性を測定しようというもの
である。

本発明は流体のレオロジー特性を測定する装置を提供す
るもので、この測定装置は、（イ）壁によって少なくと
も部分的に画定された通路と、（ロ）流体通路内に配置
され前記壁の少なくとも一部に平行な表面を有するプレ
ートと、（ハ）プレートの表面が壁に対して平行な方向
に移動して壁とプレート表面との間の流体が剪断変形を
受ける様にプレートを移動させる手段と、（４剪断変形
を受けている流体の剪断応力を測定するための手段、と
を備えて成る。

本発明は、また、流体のレオロジー特性を測定する方法
を提供するもので、この測定方法は、（イ）少な（とも
１つの壁によって流体通路を画定して、この壁の一部分
にほぼ平行な表面を有する可動プレートをこの流体通路
中に配置する工程と、（０）この可動プレートを移動さ
せてプレート表面と壁との間の流体に剪断変形を与える
工程と、（ハ）原流体剪断変形を与えながら流体の剪断
応力を測定する工程、とを含んで成る。

より詳しくは、流体は流体通路を通って流れ、この通路
内には通路壁に平行な剪断用可動表面が設けてあり、こ
の表面は好ましくは流体の主流に対する妨害が最小限に
なる様に構成さ、れている。

流体通路は適当な任意のもので良く、本発明の範囲内で
は流体を収容することの可能なあらゆる装置が包含され
る。剪断用可動表面は該表面を壁に対して直線状にまた
は回転方向に移動させるための手段に連結してあり、剪
断用表面とその近傍の壁との間の剪断ギャップにおける
流体が剪断変形（またはそれにごく近いもの）を受ける
様になっている。

レオロジー特性を決定するためには、剪断ひずみまたは
剪断速度に加えて、剪断応力を知ることを要する。しか
し、この目的のためには、剪断用プレートに作用する合
計力（直線運動の場合）または合計トルク（回転運動の
場合）を測定するだけでは充分でない。何故ならば、こ
れらの量は、（１）剪断用表面の他方の面に作用する流
体剪断応力、（２）エツジ周囲の理想的に変形していな
い材料、および（３）剪断用表面を移動させるための機
構のシール（軸封装置）の摩擦力、の影響を受けるから
である。これらの影響を無くするには、小さな面積につ
いて剪断応力を測定しなければならない。このために好
適な測定装置としては、米国特許第４．４６４，９２８
号に開示された剪断応力変換器がある。

剪断用表面の運動がかなりの時間にわたって定常的であ
る場合には、粘性は剪断速度に対する剪断応力の比とし
て求めることができる。剪断用表面が正弦波状に揺動す
る様に構成されている場合には、時間の関数としての剪
断応力を測定すれば、標準的な公式を用いて貯蔵弾性率
と損失弾性率とを計算することができる。他の多くの有
用なレオロジー的材料特性、例えば、高速定常剪断時に
剪断を中断した時の応力緩和を測定することも可能であ
る。即ち、所望の履歴を発生させるため、剪断用表面を
直線状または回転方向に種々に変位させる様にプログラ
ムすることができよう。

剪断用ギャップにおける剪断ひずみと剪断速度が均一に
なる様にするため、剪断用ギャップはできるだけ小さく
しなければならない。しかし、測定装置の設定条件が変
化しない様にするためには、ギャップは決った値に維持
しなければならない。

剪断応力はｘ　／　ｈで与えられる（Ｘは壁に対する剪
断用プレートの変位、ｈはギャップを表す）。

例えば、ｈが０．８０ｍｎ＋であり、プレートが距離１
ｃ鵬２、５　ｍｍの範囲にするのが好ましい。粘性測定
のためには前記範囲より大きなギャップにすることが望
ましいが、プレートの変位速度はかなりの時間にわたっ
て一定にすることができるので前記範囲が好ましい。し
かし、粘弾性特性を測定するための一時的テストを行う
ためには、ギャップはできるだけ小さくしなければなら
ない。

前述した様に、米国特許第４　、４６４　、９２Ｆ１号
には壁面に装着することの可能な剪断応力変換器が開示
しである。この変換器の剪断検出表面は、測定中に該表
面がプレートのエツジに対して距離５ｈよりも近づかな
い様にするためには、剪断用プレートに較べて小さくし
なければならない。例えば、ｈが１．０＋ｕ＋の場合に
は、剪断検出表面が剪断用プレートのエツジに５ｍｍよ
りも近づかない様にするのが好ましい。これは、プレー
トのエツジの近くの流れは均一ではなく、エツジによる
影響を受けるからである。

剪断プレートが固定軸線を中心に回転する場合には、こ
の回転軸線から距離Ｒのところにおける剪断速度は次式
で表わされる。

Ｒｄθ ｈ　　　　　　　ｄｔ ここで、θはプレートの角変位（単位ラジアン）である
。流体が非ニユートン流体である場合には、剪断検出表
面の領域における剪断速度の変化を小さくすることが重
要である。例えば、回転軸線から半径方向に視た該表面
の幅が、この幅についてのＲの平均値の５％である場合
には、剪断検出表面を横切って生ずる剪断速度の変動は
約５％であろう。

以上には本発明を概説したが、本発明の実施例を図面を
参照して以下に詳細に説明する。

〔実施例〕

第１図から第３図には本発明の一実施態様に係るレオメ
ータ１０が示しである。レオメータ１０はほぼ円柱形の
外形を有し、円柱形の壁１２には入口１４および出口１
６が形成してあり、円柱壁１２は上壁１３と底壁１５に
よって限定されている。レオメータの内部には円弧状部
１８が設けである。これらの円弧状部１８はレオメータ
内の流れを流線形にし、淀み領域を無くすためである。

レオメータ１０は剪断プレート２０を有し、このプレー
ト２０は適当な軸受シール２４を挿通したシャフト２２
に装着されている。このシャフト２２は適当な回転式ア
クチュエータ（図示せず）に連結される。第１図から解
る様に、剪断プレート２０は上壁１３に接近して装着し
てあり、土壁とプレート上面との間に小さな剪断ギャッ
プ２８を形成している。

この測定装置は剪断応力測定器２６を有する。

測定器２６は、レオメータの中心線上において、剪断プ
レート２０の最大角変位（第２図に矢印で示しである）
にわたってプレート２０を視得る様な位置において、上
壁１３に取付けである。測定器２６は前記米国特許第４
．４６４．９２８号に開示されたものと類似のものを用
いることができる。剪断プレー）２０と上壁１３との間
の剪断ギャップを通る流れは主プロセス流の圧力勾配に
よって駆動することができる。或いは、これに代えて、
レオメータを「オンライン」状に配置し、ギヤポンプを
用いて主流からサンプリング用流れを抜き出し、これを
レオメータを通って圧送してもよい。

剪断ギャップ２８を通る圧力駆動流は成る程度剪断速度
に影響を与えるが、通路の合計高さに較べてギャップ２
８が小さい場合には、このギャップを通る流れも極めて
小さいであろう。もし、成る種の状況に奔いて、流体滞
留時間の見地からこれが不都合を呈する様な場合には、
剪断プレート２０を周期的に一方の側に遠く移動させて
、ギャップ領域に新たな流体を流入させることができる
。

第４図に示した本発明の第２実施態様においては、自己
完結型のモジュール型レオメータ３０が提供される。こ
のレオメータ３０は平坦な表面１０Ｇと整合して装着さ
れる様に構成してあり、被測定流体は圧力勾配の作用に
よりこの表面１００に沿って流れる。この測定装置（レ
オメータ）は外壁を構成するハウジング３２を有し、こ
のハウジング３２にはねじ３６によりカバー３４が取付
けられる。

レオメータ３０の剪断プレート４４はシャフト４６に装
着しである。シャフト４６の周り象には軸受４８　、５
０が設けてあり、これらの軸受は作動中に回転シャフト
のセンタリングを適切に行う。シャフト４６は適当な回
転式アクチュエータまたは可変速度モータ（図示せず）
・に連結してあり、剪断ギャップ５１内に種々の剪断速
度または剪断パターンを発生させ得る様になっている。

剪断検出表面５４はトルクトランスミッタ５２に設けた
環状突起から成る。発生したトルクは電歪式検出器５６
によって検出される。この電歪式検出器はトルクトラン
スミッタ５２と圧縮用ワッシャ５８との間で圧縮状態に
保持されている。電歪性結晶５６への圧縮応力はねじ６
０によって調節することができる。

この実施態様においては、トルクトランスミッタ５２と
レオメータの内壁面との間にエラストマー製ガスケット
５５が圧縮配置して、あり、レオメータ内部に流体が流
入しない様になっている。電歪式検出器は極めて低いコ
ンプライアンスを有するので、トルクトランスミッタの
捩れ変形に対して、従って、剪断応力に対する電歪式検
出器の応答性に対してガスケットが与える抵抗は大きな
誤差を生じさせないであろう。いずれにしても、ガスケ
ットを用いて電歪式検出器をレオメータ内に装着する際
に電歪式検出器のセツティングを調節することができる
。第１実施態様と同様に、剪断ギヤツブは小さいので、
主流の圧力勾配によって剪断ギャップを流れる流れは比
較的小さい。前述した様に、ギヤポンプで圧送する流路
室の壁内にこのレオメータを設置し、インライン作動に
代えてオンライン作動を行うことも可能である。

言うまでもなく、前述の実施例は例示的なものであって
、本発明の範囲内で修正変更を加えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のレオメータの第１実施例の断面図、第
２図は第１図のレオメータの下面図であって底板を取り
外して視たところを示し、第３図は第２図のＡ−Ａ矢視
断面図、第４図はレオメータの自己完結型モジュール形
実施例の断面図である。 １０　、３０・・・測定装置（レオメータ）、２０　、
４４・・・剪断プレート、 ２２　、４６・・・回転シャフト、 ２６　、５６・・・剪断応力検出器（変換器）、２８　
、５１・・・剪断ギャップ、 １００・・・通路表面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、流体のレオロジー特性を測定するための装置であっ
   て、 （イ）壁によって少なくとも部分的に画定された流体通
   路と、 （ロ）前記流体通路内に配置され、前記壁の少なくとも
   一部に平行な表面を有するプレートと、（ハ）プレート
   の前記表面が前記壁に対して移動して前記壁と表面との
   間の流体が剪断変形を受ける様に前記プレートを移動さ
   せるための手段と、 （ニ）前記壁のうち流体が前記剪断応力を受ける領域に
   配置された剪断応力変換器であって、前記壁にほぼ平行
   な方向に剪断される流体から作用する接線方向の力を測
   定可能な測定部材を有するもの、 とを備えて成るレオロジー特性測定装置。 ２、プレートを移動させるための前記手段は、前記壁に
   対してプレート表面を回転方向に移動させる手段を含ん
   で成る特許請求１に基く測定装置。 ３、プレートを移動させるための前記手段は、前記壁に
   対してプレート表面を直線状に移動させる手段を含んで
   成る特許請求１に基く測定装置。 ４、前記剪断応力変換器は前記可動プレートの表面積よ
   りも実質的に小さな剪断応力測定面積を有する特許請求
   １に基く測定装置。 ５、前記プレート表面と壁との間の距離は０．５〜約２
   ．５ｍｍである特許請求１に基く測定装置。 ６、前記剪断応力変換器は、トルクトランスミッタの剪
   断応力検出面と、前記トルクトランスミッタによって伝
   達されるトルクを検出する電歪式検出装置と、前記電歪
   式検出装置を圧縮状態に保持する手段、とを備えて成る
   特許請求１に基く測定装置。 ７、流体のレオロジー特性を測定する方法であって、 （イ）少なくとも１つの平坦なまたは円柱形の壁によっ
   て流体通路を画定して、前記壁の一部分に実質的に平行
   な表面を有する可動プレートを前記流体通路内に配置す
   る工程と、 （ロ）前記可動プレートを移動させて、前記表面と壁と
   の間の流体に剪断変形を与える工程と、（ハ）流体に剪
   断変形を与えながら、可動プレートの表面積より小さな
   面積にわたって流体により前記壁または可動プレートに
   作用する剪断応力を測定する工程、とを含んで成る測定
   方法。 ８、前記流体は粘性流体または粘弾性流体である特許請
   求７に基く測定方法。 ９、可動プレートを移動させる前記工程は、前記壁に対
   して可動プレートを直線状に移動させることから成る特
   許請求８に基く測定方法。 １０、可動プレートを移動させる前記工程は、前記壁に
   対して可動プレートを回転方向に移動させることから成
   る特許請求８に基く測定方法。