流變學(xué)是研究材料流動(dòng)行為的科學(xué)。混合、攪拌、泵送、儲存和灌裝等過程都依賴于研發(fā)部門進(jìn)行的流變分析數(shù)據(jù)來評估材料的流動(dòng)行為。在生產(chǎn)車間和質(zhì)量控制實(shí)驗(yàn)室，旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)進(jìn)行測量以確認(rèn)生產(chǎn)過程中材料的一致性。通常，這些設(shè)備進(jìn)行單點(diǎn)粘度測量。它們運(yùn)行良好，但從生產(chǎn)中獲取樣本并將其送到質(zhì)量控制實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析會浪費(fèi)時(shí)間。如果能夠在混合罐或灌裝線上直接進(jìn)行粘度測量，而不是在包裝前進(jìn)行測量，那會怎樣？過程粘度計(jì)已經(jīng)存在多年，但很少有公司利用它們。為什么？本文探討了利用“過程流變學(xué)”進(jìn)行新投資給制造業(yè)帶來的潛在益處。

研發(fā)部門在新產(chǎn)品（軟膏、面霜、乳液、藥水等）的制造加工之前，會對所使用的材料進(jìn)行特性測試。典型的測試包括“流動(dòng)曲線”，也許還有“屈服應(yīng)力測定”。前者描述的是流體或半固體在不同流速和溫度條件下的流動(dòng)行為。后者涉及的是靜止的材料在受到泵送或由于混合器中旋轉(zhuǎn)葉片的作用而開始流動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)條件。

圖1展示了一種名為“流變儀”的儀器，它可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行兩種類型的測試。這種類型的轉(zhuǎn)軸幾何形狀被稱為“錐/盤”。當(dāng)轉(zhuǎn)軸處于升起位置時(shí)，將材料放置在盤子上并加熱。然后將轉(zhuǎn)軸降下與材料接觸。儀器精確地設(shè)定間隙，以便當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，對材料的后續(xù)剪切作用能夠被準(zhǔn)確地定義。

初始測試是屈服應(yīng)力測定。待測材料處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此其結(jié)構(gòu)不受干擾。流變儀通過主軸施加不斷增加的扭矩，直至圓錐主軸開始旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)開始的那一刻被稱為“屈服應(yīng)力”。圖2展示了兩種不同奶油的屈服應(yīng)力數(shù)據(jù)曲線；較低的屈服應(yīng)力值為200帕，表明這種材料比另一種需要400帕的材料更容易流動(dòng)。這些屈服應(yīng)力值與驅(qū)動(dòng)泵和攪拌葉片的電機(jī)的啟動(dòng)扭矩有關(guān)。

材料的“流動(dòng)曲線”是對抗剪切作用的衡量標(biāo)準(zhǔn)。流變儀將主軸從低速旋轉(zhuǎn)到高速，以模擬材料在加工過程中經(jīng)歷的不同剪切速率。高剪切速率模擬諸如通過泵或高速混合等動(dòng)作。低剪切速率模擬將材料輸送到儲罐時(shí)管道中的低流速。中等剪切速率可能適用于將材料注入容器時(shí)灌裝線上的剪切作用。圖3展示了一種典型的流動(dòng)曲線，這種材料在低剪切速率下表現(xiàn)出高阻力，而在高剪切速率下阻力顯著降低。制藥和醫(yī)療行業(yè)的材料通常會表現(xiàn)出這種流動(dòng)行為。

過程粘度計(jì)的選擇是基于對屈服應(yīng)力測定和流動(dòng)曲線分析的流動(dòng)信息的審查。圖4展示了一種在生產(chǎn)過程中在線使用的儀器，用于連續(xù)測量粘度。顯然，當(dāng)測量到的粘度值開始超出可接受的控制限值時(shí)，無需等待即可采取糾正措施，這是其優(yōu)勢。當(dāng)決定使用過程粘度計(jì)時(shí)，確定粘度的性能界限非常重要。這最初可以通過研發(fā)階段的實(shí)驗(yàn)室測試數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)，但一旦過程粘度計(jì)運(yùn)行并生成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，還需要進(jìn)一步審查。然后，性能限值可以適當(dāng)修改。

隨著工藝粘度計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)的不斷改進(jìn)，我們完全有理由研究這種儀器能為制造業(yè)帶來的潛在回報(bào)。雖然投資高于質(zhì)量控制中臺式粘度計(jì)的投資，但節(jié)省的材料成本（無需返工）能夠迅速收回初始投資。