안녕하세요! 점도계 공급업체로서 저는 점도계를 사용하여 다양한 전단 응력 하에서 액체의 점도를 측정하는 방법에 대해 자주 질문을 받습니다. 이는 특히 액체의 유동 특성이 제품 품질에 큰 영향을 미칠 수 있는 식품, 화장품, 의약품과 같은 산업에서 중요한 주제입니다. 이 블로그에서는 프로세스를 단계별로 안내하고 그 과정에서 몇 가지 팁과 요령을 공유하겠습니다.
점도와 전단응력이란 무엇입니까?
측정 과정을 시작하기 전에 점도와 전단 응력이 무엇인지 빠르게 살펴보겠습니다. 점도는 흐름에 대한 유체의 저항을 측정한 것입니다. 액체가 얼마나 "진한지" 또는 "얇은지"로 생각하십시오. 예를 들어, 꿀은 천천히 흐르기 때문에 점도가 높은 반면, 물은 점도가 낮아 흐르기 쉽습니다.
반면, 전단 응력은 유체가 변형되거나 흐르게 하는 단위 면적당 힘입니다. 액체를 휘저으면 액체에 전단 응력이 적용됩니다. 전단 응력과 결과적인 변형 속도(전단 속도) 사이의 관계는 유체의 점도를 결정합니다.
다양한 전단 응력 하에서 점도를 측정하는 이유는 무엇입니까?
많은 액체, 특히 비뉴턴 유체는 적용된 전단 응력에 따라 점도가 변합니다. 비뉴턴 유체는 전단-박화(전단 응력이 증가함에 따라 점도 감소), 전단-농축(전단 응력이 증가함에 따라 점도 증가) 및 점탄성(탄성 및 점성 특성을 모두 나타냄)과 같은 다양한 유형으로 분류될 수 있습니다.
다양한 전단 응력 하에서 점도를 측정하면 액체가 다양한 실제 상황에서 어떻게 거동하는지 이해하는 데 도움이 됩니다. 예를 들어, 액체가 파이프를 통해 펌핑되거나 탱크에서 혼합되는 제조 공정에서는 전단 응력이 달라질 수 있습니다. 다양한 전단 응력에서의 점도를 파악함으로써 공정을 최적화하고 일관된 제품 품질을 보장할 수 있습니다.
올바른 점도계 선택
여러 유형의 점도계가 있지만 다양한 전단 응력 하에서 점도를 측정하는 데에는회전 점도계종종 최선의 선택입니다. 회전 점도계는 액체 속에서 스핀들이나 추를 회전시키고 회전을 유지하는 데 필요한 토크를 측정하여 작동합니다. 토크는 전단 응력과 관련이 있고 회전 속도는 전단 속도와 관련이 있습니다.
회전 점도계를 선택할 때 측정해야 하는 점도 범위, 필요한 정확도, 테스트할 샘플 유형과 같은 요소를 고려하십시오. 일부 점도계에는 온도 제어와 같은 추가 기능도 함께 제공되는데, 이는 점도가 온도에 크게 좌우되기 때문에 중요할 수 있습니다.
점도계 설정
올바른 점도계를 선택했다면 이제 설정할 차례입니다. 일반적인 단계는 다음과 같습니다.
- 구경 측정: 점도계를 사용하기 전, 교정은 필수입니다. 이렇게 하면 측정이 정확해집니다. 대부분의 점도계에는 알려진 점도의 교정 유체가 함께 제공됩니다. 제조업체의 지침에 따라 교정을 수행하십시오.
- 스핀들을 선택하세요: 스핀들의 선택은 액체의 점도와 적용하려는 전단 응력 범위에 따라 다릅니다. 고점도 액체의 경우 더 큰 스핀들이 필요할 수 있지만, 저점도 액체의 경우 일반적으로 더 작은 스핀들이 충분합니다.
- 샘플 준비: 시료가 균일하고 원하는 온도에 있는지 확인하십시오. 필요한 경우 온도 조절 욕조를 사용하여 측정하는 동안 일정한 온도를 유지하십시오.
- 스핀들 설치: 선택한 스핀들을 점도계에 조심스럽게 설치합니다. 올바르게 정렬되고 고정되었는지 확인하십시오.
다양한 전단 응력 하에서 점도 측정
이제 점도계가 설정되었으므로 다양한 전단 응력 하에서 점도 측정을 시작할 수 있습니다. 방법은 다음과 같습니다.
- 초기 조건 설정: 스핀들의 초기 회전 속도를 설정합니다. 이는 초기 전단 속도와 전단 응력을 결정합니다. 낮은 속도로 시작하여 점차적으로 단계적으로 높이십시오.
- 측정하기: 스핀들이 안정된 회전 상태에 도달하면 점도를 측정합니다. 대부분의 점도계는 점도를 화면에 직접 표시합니다. 해당 회전 속도(전단 속도) 및 계산된 전단 응력과 함께 점도 값을 기록합니다.
- 전단 응력 변경: 더 높은 전단응력을 적용하려면 스핀들의 회전 속도를 높입니다. 다른 측정을 수행하기 전에 시스템이 새로운 정상 상태에 도달할 때까지 기다리십시오. 여러 다른 회전 속도에 대해 이 과정을 반복하여 다양한 전단 응력에서 다양한 점도 값을 얻습니다.
결과 분석
측정을 마친 후에는 결과를 분석할 차례입니다. 점도 대 전단 응력 또는 전단 속도의 그래프를 플롯합니다. 흐름 곡선으로 알려진 이 그래프는 유체의 거동에 대한 귀중한 정보를 제공할 수 있습니다.
- 뉴턴 유체: 뉴턴 유체의 경우 전단응력에 관계없이 점도가 일정하게 유지됩니다. 흐름 곡선은 수평선이 됩니다.
- 전단 - 희석액: 전단박화유체의 경우 전단응력이 증가할수록 점도는 감소한다. 흐름 곡선은 하향 기울기를 나타냅니다.
- 전단 - 농축 유체: 전단-농축 유체는 전단 응력이 증가함에 따라 점도도 증가합니다. 흐름 곡선은 위쪽으로 기울어집니다.
흐름 곡선을 분석하면 유체의 유형과 흐름 특성을 확인할 수 있습니다. 이 정보는 프로세스를 최적화하고, 제품을 공식화하고, 흐름 관련 문제를 해결하는 데 사용될 수 있습니다.
팁과 요령
정확하고 안정적인 점도 측정을 보장하기 위한 몇 가지 팁은 다음과 같습니다.
- 온도 조절: 앞서 언급했듯이 점도는 온도에 따라 크게 달라집니다. 측정 과정 전반에 걸쳐 샘플의 온도를 제어하십시오. 온도의 작은 변화도 점도에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.
- 샘플량: 점도계 제조사에서 권장하는 정확한 시료량을 사용하십시오. 샘플량이 부족하면 특히 스핀들이 액체에 완전히 담기지 않은 경우 측정이 부정확해질 수 있습니다.
- 청소: 각 측정 후에 스핀들을 철저히 청소하여 잔여 샘플을 제거하십시오. 이는 교차 오염을 방지하고 다음 측정을 위한 정확한 결과를 보장합니다.
- 다중 측정: 일관성을 보장하기 위해 각 전단 응력에서 여러 번 측정합니다. 오류를 줄이기 위해 평균 점도 값을 계산합니다.
결론
점도계를 사용하여 다양한 전단 응력 하에서 액체의 점도를 측정하는 것은 유체의 흐름 특성을 이해하는 데 유용한 기술입니다. 이 블로그에 설명된 단계를 따르면 정확하고 신뢰할 수 있는 점도 측정을 얻을 수 있으며 다양한 실제 상황에서 유체가 어떻게 작동하는지에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다.
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참고자료
- ASTM D2196 - 18, 회전 점도계를 이용한 비뉴턴성 재료의 유변학적 특성에 대한 표준 테스트 방법.
- Barnes, HA, Hutton, JF, & Walters, K. (1989). 유변학 소개. 엘스비어 사이언스.