前言
在科學與工程領域中，流變儀是一項關鍵的實驗儀器，用於評估物質的流動和變形特性。我們生活中以流動的方式的物質，如建築材料、油漆，到藥品、石化和聚合物等，這些產品的開發與材料的品質管控都會需要精準掌握其流變特性，以確保其品質具備一定穩定性，避免在我們日常生活中造成負面影響。
本文旨在介紹流變儀基礎原理以及必要性，並說明為何理解物質的流動特性對產品開發和品質管控。另外，將詳細介紹毛細管流變儀為何廣受青睞，其的特別之處和應用範圍有哪些，想要了解流變儀，千萬不可以錯過！
流變儀（rheometer）是什麼？
流變儀是一種實驗室設備，用於測量物質在外加壓力下的流動和變形特性。它能夠評估液體、膠體和固體等各種材料的流變行為。透過流變儀的測試，可以了解物質在不同應力和應變條件下的行為，從而分析其流動性、黏性、彈性等特性。應用範圍廣泛，從材料科學到食品工業，再到生物醫學領域，都能發揮重要作用。
流變儀操作原理的核心在於施加不同形式的應力在樣品上，然後觀察樣品後續的流動與變形。它所能做得到的黏度測試比起傳統黏度計所能做到的精細範圍超乎許多，能解讀各種複雜的液體，像是奶油、懸浮液、油漆、印刷油墨、塗料和漿料等，預估這些流體在受力後的反應，能夠提供寶貴的參考數據，幫助改進產品設計和工藝流程。
流變儀用來測量什麼？
流變儀主要用於測量物質的流變特性，包括剪切黏度、剪切應力、耗損模數、拉伸黏度、應變速率與UV材料固化行為等，針對流體、膠體到固體等材料能進行完整的物性分析，例如了解加工材料的最佳加熱溫度、速度等。
流變儀可測量的項目包含：
- 黏度
- 黏彈性
- 流動性
- 塑性變形
- 流變曲線
- 屈服應力
與黏度計不同，流變儀可以測量不同應力或不同應變速率下黏度和模量的變化，透過對樣品施力，再藉由感測器裝置測量產生的應力或應變，測量出材料的黏度或黏彈性。舉例來說，黏度測量會根據內部分子摩擦引起的流動阻力的大小來評估，而黏彈性則是在材料中，偵測樣品在施加負載後能量耗散的程度。
流變儀為什麼重要？
流變儀的主要功能在於測量物質的黏度、剪切應力、變形速率等重要參數，這些數據能應用於材料加工的成功、產品生產與材料開發、以及品質效能控制等，進而影響到我們的日常生活中，在許多行業中皆扮演著不可或缺的角色。
建立品管手法
流變儀能夠提供物質的黏度、流動性等數據，有助於建立嚴格的品管手法。透過流變測試，生產過程中可以監控物質的特性，確保產品符合規範和品質標準，是以及否處於正確流量。
降低不良率
透過詳細的流變分析，可以提前發現物質可能存在的流動問題或變形情況。藉此，能夠減少生產過程中的不良品率，提高產品的一致性和品質。
降低研發成本
透過流變儀的測試，研究人員可以快速評估各種物質的流動特性，以更有效率地開發新產品或改良配方，這種精確的測試方法有助於降低研發成本和時間。
提高產品開發效率
流變儀能夠提供物質在不同條件下的流動行為數據，使得產品設計和開發過程更為精確。這有助於加速新產品的上市速度，提高產品開發的效率。
流變儀不僅提供了對物質流動特性的深入了解，還在產品開發和品質控制中發揮了重要作用。有效應用這類儀器能夠改善產品品質、降低不良率並提高生產效率，從而促進產業的發展和創新。
流變儀測量原理是什麼？又可分為哪幾種？
流變測量原理包括多種測試方法：
- 旋轉式測試： 透過轉盤或圓錐形的工作部件施加應力於物質上，並測量其回應。這能提供不同剪切速率下的黏度數據。
- 振動式測試： 通過對試樣施加振動，觀察物質的變形和回彈，以評估其彈性和流動特性。
- 變形測試： 透過施加變形或應力，觀察物質的變形行為。包括剪切變形、拉伸或壓縮等，以了解物質的變形特性。
根據不同的測量方法會搭配使用不同設計的流變儀，而流變儀大致可分為兩大類：「剪切流變儀」和「拉伸流變儀」，在這兩種類型下能細分成更專業的儀器，例如聲響拉伸流變儀、毛細管流變儀、錐板剪切流變儀等，幫助開發人員了解材料並預測材料的特性。
第一大類：剪切流變儀
高分子材料進行加工製造時，產品的特性會隨著材料的加工流變行為、加工溫度、壓力等因素影響，我們可以藉由流變儀來掌握製程的條件與參數，以及解析高分子材料的彈性與黏性特性。
不同類型的流變儀具有獨特的運作原理，用以測量不同材料的流變特性和行為，其中包括旋轉式動態流變儀和毛細管流變儀。
旋轉式動態流變儀
- 原理： 通過施加旋轉運動在樣本上的剪切應力，然後測量樣本的應變來測試流動特性。它能夠模擬物質在不同應力和變形條件下的行為。
- 構造： 旋轉式動態流變儀包括轉子和固定元件，通常樣本被置於二者之間，轉子施加應力於樣本上，並測量應變或反應。
- 應用領域： 主要應用於塑料、高分子化合物、食品和化妝品等領域。這種流變儀有助於評估材料的黏度、彈性模量和流動特性。
毛細管流變儀
毛細管流變儀 (Capillay Rheometer) 目前是發展地最完善，操作簡易且最為廣泛應用的流變測量儀器之一，特別適合用來針對塑料樣品分析，可用來量測巨觀下之流變特性。
- 原理：當物質受到應力作用時，有些物質可能會像液體一樣流動，而另一些可能會表現出固體的彈性或塑性。通過使用毛細管施加壓力，觀察樣本的流動行為，測量高分子材料在已知尺寸的細管中，剪切應力與剪切速率的關係，來評估高分子材料的流變現象，它主要用於測量流體在微小尺度下的流動性質。
- 構造：包括毛細管、控制壓力系統和測量設備。樣本通過毛細管施加壓力，並通過毛細管觀察或測量流動行為。
- 應用領域：主要應用於纖維紡織、塗佈、貼合等高分子材料製程加工，分析材料黏度與剪切率及溫度等加工之關係，用以找到最佳的高分子材料配方與加工條件，來確保產品品質。
第二大類：拉伸流變儀
拉伸流變儀是專門用於測試材料在拉伸條件下的流變行為，因此需要在可以被拉伸變形的材料上進行，例如需要拉伸加工的聚合物材料、流體等。通常以一定的拉伸速率對樣品進行延伸，同時測量所產生的應力。這可以獲得樣品在拉伸過程中的應變-應力曲線，進而了解材料在不同應變條件下的變形特性。
毛細管破裂流變儀 (CaBER)
- 原理：將少量材料放置在板之間，這些板會迅速拉伸到固定的應變水平。隨著流體細絲在表面張力、重力和粘彈性的聯合作用下頸縮和斷裂，中點直徑可作為時間的函數進行監測。作為應變和應變率函數的拉伸黏度可以從數據中提取出來。
- 構造：包含一根非常細的毛細管，毛細管可被浸入待測液體中。儀器同時配有高精度的感測裝置，用於監測毛細管的懸掛和破裂過程。
- 應用領域：表面活性劑、油漆、塗料、食品飲料工業等都會應用到該技術，用於測量液體的表面張力和粘度，該系統適用於低黏度流體，比如墨水、油漆、粘合劑和生物流體。除了優化製程以外，也確保產品質量和一致性。
為什麼「毛細管流變儀」是大家挑選流變儀的首選？
毛細管流變儀 (Capillay Rheometer )是發展最成熟、應用最廣泛的流變儀，也是許多業者的選擇，其特別之處在於：
- 精確度高：毛細管流變儀能夠進行高精確度的流變性質測量，包括黏度、流變係數、流變指數等。
- 靈敏度：毛細管流變儀對於微小變化有很高的敏感度，能夠測量極低的剪切應力和剪切速率。
- 操作簡易：和其他流變儀器相比，毛細管流變儀的操作相對簡單，且通常具有自動化功能，能使測量過程更加方便，也各具可靠性。
- 適用範圍廣泛：毛細管流變儀可以應用於各種不同的材料，包括液體、凝膠、高分子材料等，且可在不同的溫度和壓力條件下進行測量。
首要應用產業 – 高分子塑膠材料
毛細管流變儀可評估塑膠在不同條件下的流動行為，比如高分子熔體在毛細管中剪切應力與速率的關聯，並可從擠出物的狀態，了解其加工性能和可塑性。透過觀察固定應力中通過的塑膠材料在不同長度毛細管的比例，研究塑膠熔體的彈性和其他流變現象，進而預測該熔體可進行何種加工行為。
除了塑料之外，毛細管流變儀的應用範圍包含以下幾項：
- 高分子塑膠材料：評估塑膠在不同條件下的流動行為，了解其加工性能和可塑性。
- 漿料材料：幫助了解製程中參數調控漿料分散性的最佳化，以確保最終產品的均勻性和穩定性。
- 橡膠材料：評估彈性模量、剪切應力和應變。
- 建築材料：評估混凝土、水泥漿和瀝青等建築材料的流動性，改善砂漿、水泥、瀝青等建築材料的調配比。
- 化妝品材料：測試化妝品的動態黏度和流變特性，以確保產品質地和穩定性。
- 能源材料：評估黏度和流動性，測量原油在高壓高溫下的黏度，有助於提高能源生產和加工過程的效率，確保產品符合規格。
- 食品黏度和流變特性：測試食品在液體和半固體狀態的黏度，了解原料與產品的流動行為和凝固特性。
- 製藥應用：流變儀能幫助測試藥品的流動性、凝固時間和黏度，確保製造過程中的一致性和品質。
毛細管流變儀首選 Dynisco
Dynisco是毛細管流變儀的專業品牌，以其卓越的準確性和可靠性著稱。
其中，LCR系列產品就廣泛地受到運用，產品型號「LCR 7000」的流變儀即具備高精度的測試能力，可量測高分子熔融態流變行為、評估高分子複合材料之分散性，提供最精密的材料特性、資料分析、以及報告功能，配備LAB KARS是一種目前最強大且易於使用的Windows™流變學套裝軟體，可滿足每天24小時的運行要求。
產品特點：
- 全數位校正
- 速度和力度測量範圍大
- 每次測試提供45種以上剪切應力或剪切速率的速率數據點
- 擁有獨特演算法，可從電腦下載測試參數，測量聚合物熔體穩定性
- 擁有多個儲料槽加熱區和自動適應 PID 溫度控制演算法，可提供高達 430°C 的精準、均勻加熱功能（7000 和 7001 型可選配 500°C）
- 以精密伺服器驅動馬達和感應器，嚴格控制應力和速率模式的測試
- 採碳化鎢鋼模具和硬化工具鋼桶，可延長使用壽命
- 可以移出清潔料管（Dynisco獨家專利）
結語
流變儀作為評估物質流動行為和特性的關鍵工具，在多個領域中扮演著不可或缺的角色。無論是從高分子材料到食品工業，從製藥到建築材料，它都提供了詳盡的流動性質和變形特性數據，幫助產業優化產品設計、提高品質控制，甚至加速新產品的研發上市。
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