เลือก Rheometer แบบใดให้เหมาะกับการใช้งาน
Rheometer เป็นเครื่องมือที่ ใช้ในการศึกษาและตรวจสอบคุณสมบัติการไหล การคืน/ผิดรูป ของวัสดุต่างๆ ที่เป็นของเหลวกึ่งของเหลว แก๊ส หรือแม้แต่ของแข็งบางประเภท ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ได้ช่วยทำให้เครื่องมือตัวนี้มีราคาต่ำลงแต่ประสิทธิภาพกลับเพิ่มสูงมากขึ้น จึงเป็นที่นิยมในงานวิจัยพัฒนาและควบคุมคุณภาพของกระบวนการผลิตและการประยุกต์ต่างๆ แล้วจะเลือกอุปกรณ์แบบใดให้เหมาะสมกับการใช้งาน
บทนำ
การศึกษาและการตรวจสอบคุณสมบัติการไหล การคืน/ผิดรูป ของวัตถุดิบต่างๆ หรือ Rheology ทั้งในเทอมของปริมาณและคุณภาพ ไม่ว่าจะเป็น viscoelastic การไหลแบบ Newtonian การไหลแบบ nonNewtonian อัตราการเปลี่ยนความหนืดตามเวลา (thixotropic) การขยายปริมาตร ความหนืด ความยืดหยุ่นความเค้นเฉือน หรือความเครียดเฉือน มีความสำคัญต่ออุตสาหกรรมการผลิตต่างๆ เช่น อาหาร ยา สี เครื่องสำอางพลาสติก หรือพอลิเมอร์ เป็นอย่างมาก เพราะคุณสมบัติหรือพฤติกรรมเหล่านี้จะช่วยในการควบคุมกระบวนการผลิตและให้ผลิตภัณฑ์สุดท้ายที่มีคุณภาพสารหรือวัตถุดิบแต่ละประเภทต่างก็มีคุณสมบัติเฉพาะตัว เครื่องมือที่ใช้ในการตรวจวัดคุณสมบัติต่างๆ เหล่านี้หรือที่เรียกว่า Rheometer ก็ย่อมที่จะมีลักษณะเฉพาะที่แตกต่างกันออกไป
รูปที่ 1 แสดงการเกิดความเค้นเฉือน
|
ประวัติความเป็นมา
ก่อนที่เราจะไปเลือกชนิดของ Rheometer ให้เหมาะสมกับการใช้งานนั้น เราจะมาทราบกันก่อนว่าเจ้าเครื่องมือตัวนี้มันมีความเป็นมาและมีการใช้งานอย่างไร การใช้งาน Rheometer มีประวัติยาวนานมาตั้งแต่สมัยทศวรรษที่ 12 เครื่องมือแบบแรกที่ผลิตออกมานั้นจะเป็นเครื่องมือที่มีการควบคุมค่าความเครียดแล้วมีการเปลี่ยนค่าของความเค้นด้วยระบบของน้ำหนักและรอก ดังรูปที่ 2
ซึ่งต่อมาได้ถูกแทนที่ด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าและมีการพัฒนามาเรื่อยๆ จนในช่วงทศวรรษที่ 60 ได้มีการใช้ระบบของเฟืองซึ่งให้อัตราเฉือน (shear-rate) อยู่ในช่วงระหว่าง 10-4 ถึง 104 ต่อหนึ่งวินาที ในช่วงกลางทศวรรษที่ 70 Deer และเพื่อนร่วมงานของเขาที่โรงเรียนด้านเภสัชกรรมแห่งกรุงลอนดอนได้พัฒนา Rheometer ที่ควบคุมค่าความเค้นขึ้นเป็นครั้งแรกโดยอาศัยตลับลูกปืนแบบ air bearing และกังหันลมทำให้เกิดแรงหมุน (torque) หลังจากนั้นไม่นาน ราวปี 1980 เครื่องมือแบบใหม่นี้ก็ได้ออกวางจำหน่ายโดยยังคงอาศัยตลับลูกปืนเพื่อลดแรงเสียดทาน และใช้มอเตอร์ไฟฟ้าแบบ drag-cup ในการควบคุมความเค้นอย่างง่ายโดยที่ไม่ขึ้นกับความเร็วในการหมุนของมอเตอร์ ด้วยคุณสมบัติดังกล่าวจึงทำให้สามารถลดอัตราการหมุนและศึกษาพฤติกรรมการไหลของสารซึ่งไม่สามารถสังเกตได้ก่อนหน้านี้ ซึ่งในปัจจุบันเทคโนโลยีของ optical-disc ให้อัตราการหมุนอยู่ที่ 10-8 เรเดียนต่อวินาที
รูปที่ 2 Rheometer ที่ได้รับการออกแบบรุ่นแรกๆ |
รูปที่ 3 ส่วนประกอบหลักของ Rheometer ในปัจจุบัน |
ส่วนประกอบ
Rheometer รุ่นใหม่ๆ มีโครงสร้างที่คล้ายคลึงกัน โดยมีส่วนประกอบหลักๆ ตามรูปที่ 3 ดังนี้
1. มอเตอร์ (ไม่ใช้แม่เหล็กถาวร) ที่มีความเฉื่อยต่ำ และลดการสัมผัสกับอุปกรณ์อื่น เพื่อสร้างแรงหมุนที่มีค่ามากกว่าช่วง dynamic range อย่างแม่นยำ และให้การตอบสนองที่ดีเยี่ยม
2. ตลับลูกปืนแบบ air bearing ที่ช่วยลดแรงเสียดทานที่เกิดขึ้น
3. เซ็นเซอร์ที่สามารถตรวจวัดความเร็วได้อย่างแม่นยำและตำแหน่งที่แน่นอน
4. ที่ยึดแกนแบบ collet ที่มีความเที่ยงตรง เพื่อยึดแกนของมอเตอร์ในกรณีตรวจสอบระบบด้วยการเอียงแกนหมุนไปเล็กน้อย
5. เกลียวนำซึ่งมีนอตตัวเมียที่สามารถขันให้มีความตึงได้ตามความต้องการ และ สเตปเปอร์มอเตอร์ (stepper motor) ที่ควบคุมตำแหน่งของเซนเซอร์ได้อย่างแม่นยำโดยไม่กระตุก
6. ตลับลูกปืนแบบ linear bearing ซึ่งเป็นตัวรองรับ air bearing และมอเตอร์
7. เซนเซอร์ที่ตรวจวัดแรงภายในที่เกิดขึ้น
8. ส่วนควบคุมอุณหภูมิ
9. ที่ล็อกตัวอย่าง
10. แผงควบคุมฟังก์ชั่นต่างๆ
11. วงจรอิเล็กทรอนิกส์และแหล่งจ่ายพลังงานซึ่งทำงานร่วมกับระบบประมวลผลในการควบคุมฟังก์ชั่นและตัวแปรต่างๆ รวมถึงการเชื่อมต่อเข้ากับคอมพิวเตอร์
12. ฝาครอบที่คอยป้องกันอุปกรณ์ภายใน
รูปที่ 4 ตัวอย่าง Capillaly Rheometer |
รูปที่ 5 ตัวอย่าง Torque Rheometer |
ชนิดของ Rheometer
โดยหลักแล้ว Rheometer สามารถแบ่งได้เป็น 3 ชนิดหลัก คือ Capillary Rheometer, Torque Rheometer และ Dynamic Rotational Rheometer หรือ Oscillatory Rheometer โดยแต่ละชนิดมีการนำไปใช้งานที่แตกต่างกันออกไป ซึ่งโดยปกติแล้ว Capillary Rheometer และ Torque Rheometer จะให้ข้อมูลความหนืดและการไหลของสารเมื่อสารไหลผ่านเครื่องมือ ในขณะที่ Dynamic Rotational Rheometer จะมี probe ในการตรวจสอบ
โครงสร้างทางโมเลกุลและคุณสมบัติ viscoelastic
Capillary Rheometer
Capillary Rheometer สามารถตรวจวัดความหนืดของสารหรือวัสดุว่ามีการเปลี่ยนแปลงสัมพันธ์กับอุณหภูมิและความดันอย่างไร โดยใส่สารหรือวัสดุที่ต้องการตรวจสอบลงในถังภาชนะแล้วใช้ลูกสูบดันผ่านช่องเล็กๆ การทดสอบครั้งหนึ่งๆ จะใช้อัตราเร็วของลูกสูบแตกต่างกันไป 10 ค่าที่อุณหภูมิที่กำหนดไว้ แล้วสังเกตค่าการเปลี่ยนแปลงความหนืดซึ่งสัมพันธ์กับอัตราเฉือน (อัตราการไหลหรืออัตราเร็วของลูกสูบ) และค่าความเค้นเฉือน (แรงที่ใส่เข้าไป) ซึ่ง Capillary Rheometer แบบตั้งโต๊ะที่ใช้ในงานควบคุมคุณภาพแบบทั่วไปจะให้อัตราเร็วของลูกสูบอยู่ที่ 20,000:1 และ
แบบที่ใช้ในงานวิจัยพัฒนาจะมีอัตราเร็วอยู่ที่ 200,000:1 ผลที่ได้จะอยู่ในรูปกราฟที่เรียกว่า Rheology Curve ซึ่งพล็อตระหว่างความเค้นเฉือนและอัตราเฉือนอัตราส่วนของสองค่านี้คือค่าความหนืดนั่นเอง
ข้อดีของ Capillary Rheometer คือ สามารถตรวจสอบสารที่มีอัตราเฉือนค่าต่างๆ ได้อย่างหลากหลาย ซึ่งบางรุ่นสามารถตรวจวัดอัตราเฉือนได้มากกว่า 1000 ต่อวินาที แต่ข้อเสียของ Rheometer ชนิดนี้คือ ใช้งานยาก ใช้ระยะเวลานานในการทดสอบแต่ละครั้ง และยังเสียเวลาไปกับการทำความสะอาดภาชนะและการตั้งค่าสำหรับการทดสอบในครั้งต่อๆ ไป
โดยทั่วๆ ไปแล้ว Capillary Rheometer ที่ใช้กันอยู่จะมีภาชนะสำหรับบรรจุสารเพียงหนึ่งถัง แต่บางรุ่นได้ออกแบบให้มีภาชนะ 2 ถังด้วยกัน ทั้งนี้เพื่อลดเวลาเมื่อมีสารที่ต้องการทดสอบอยู่ 2 ชนิด นอกจากนี้ยังสามารถคำนวณค่าความหนืดที่แน่นอนได้อย่างอัตโนมัติและยังช่วยในการตรวจสอบหากมีการเติมสารหล่อลื่นเม็ดสี หรือสารอื่นๆ มากเกินความจำเป็น
แม้ว่า Capillary Rheometer จะสามารถใช้ตรวจสอบสารได้หลากหลายชนิด แต่ยังคงเป็นปัญหาสำหรับการตรวจสอบสารที่มีการดูดความชื้น ผู้ผลิตจึงได้แก้ไขโดยการออกแบบให้ On-line Capillary Rheometer สามารถแยกออกซิเจนออกในระหว่างทดสอบได้ และยังเหมาะสำหรับพลาสติกที่ไม่สามารถเปลี่ยนรูปร่างได้เมื่อมีการขึ้นรูปแล้ว ซึ่งไม่สามารถตรวจสอบได้ด้วย Capillary Rheometer แบบตั้งโต๊ะ
Torque Rheometer
Torque Rheometer ถูกนำไปใช้งานในการตรวจสอบพลาสติกชนิดต่างๆ ไม่ว่าจะเป็น พีวีซี เรซิน โพลิโอเลฟินส์อีลาสโตเมอร์ โดยจะตรวจสอบการดูดกลืนของของเหลวที่ผสมลงไป การไหล ความร้อนเสถียร ความเฉือนเสถียร ซึ่งค่าต่างๆ เหล่านี้จะสัมพันธ์กับค่าความหนืดของสารแต่ละชนิด
หัวใจสำคัญของ Rheometer ชนิดนี้คือมอเตอร์ซึ่งเราจะสามารถตรวจวัดค่าแรงหมุนได้จากเพลาของมัน นอกจากแรงหมุนแล้ว Torque Rheometer ยังสามารถตรวจวัดอัตราเร็ว อุณหภูมิและความดันได้อีกด้วยการเชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์ผ่านซอฟต์แวร์ เครื่องมือในรุ่นใหม่ๆ ยังได้ทำการติดตั้งเซนเซอร ์สำหรับตรวจวัดสภาพการนำความร้อนและการนำไฟฟ้าของสารเพื่อตรวจสอบถึงคุณภาพการกระจายตัวหรือประสิทธิภาพของสารที่เติมเข้าไป
Torque Rheometer ในปัจจุบันจะให้แรงหมุนอยู่ในช่วงระหว่าง 1-400 นิวตันเมตร และมีอัตราเร็วของมอเตอร์อยู่ระหว่าง 0.2-150 รอบต่อนาที
รูปที่ 6 ตัวอย่าง Rotation Rheometer |
Dynamic Rotational Rheometer
ส่วนประกอบหลักของ Dynamic Rotational Rheometer คือมอเตอร์ optical encoder และเซนเซอร์ที่ใช้ตรวจวัดแรงหมุน แต่ ส่วนประกอบที่มีความสำคัญไม่ยิ่งหย่อนไปกว่าส่วนประกอบหลักนั่นก็คือ air bearing ซึ่งจะช่วยให้ใบพัดและเซนเซอร์ลอยอยู่และลดแรงเสียดทานให้รูปที่ 4 ตัวอย่าง Capillary Rheometer มีค่าน้อยลง นอกจากนี้ยังช่วยให้ทราบถึง ค่า yield ของสารที่ตรวจสอบอย่างแม่นยำ ให้รายละเอียดของค่ามอดูลัสของความยืดหยุ่น ซึ่งมีความจำเป็นมากในกรณีที่มีการศึกษาวิเคราะห์สารเหล่านั้น
Dynamic Rotational Rheometer สามารถทำงานได้ทั้งโดยหมุนอย่างต่อเนื่องและแบบหยุดพักเป็นช่วงๆ เครื่องมือนี้จะให้ข้อมูลของคุณสมบัติ viscoelastic ซึ่งได้แก่ ความหนืด น้ำหนักโมเลกุลและการกระจายตัว และระยะพักตัว (ของสารประเภทพอลิเมอร์) การรวมเอามอเตอร์และทรานสดิวเซอร์ของ Dynamic Rheometer เข้าไว้ด้วยกัน หรือ CMT ช่วยลดความจำเป็นในการสอบเทียบเครื่องมือที่แยกอุปกรณ์ทั้งสองออกจากกัน (SMT) แต่ CMT ก็ยังมีปัญหาในเรื่องของแรงเฉื่อย ทำให้ CMT ตรวจวัดสารที่มีความหนืดต่ำได้ยากและใช้เวลานาน ในขณะที่ SMT มีช่วงของการตรวจวัดที่กว้างกว่าและไวกว่า ผู้ผลิตจึงได้ทำการออกแบบมอเตอร์ให้มีน้ำหนักที่เบาขึ้นเพื่อลดปัญหาที่เกิดขึ้นจากแรงเฉื่อยในระหว่างการทดสอบ
บทสรุป
การเลือกประเภทของ Rheometer ให้เหมาะกับการใช้งานจะทำให้กระบวนการผลิตสามารถดำเนินการไปได้โดยให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำถูกต้อง ส่งผลให้ผลิตภัณฑ์สุดท้ายที่ได้รับมีคุณภาพ
เอกสารอ้างอิง
1. Lilly Manolis Sherman, Rheometers: Which Type Is Right For You?, Plastics Technology,
May 2004, availiable online: http://www.plasticstechnology.com/articles/200405fa2.html
2. http://lhe.epfl.ch/cours/cours-DEA.pdf
3. http://www.hansergardner.com/sample/1-56990-278-X.pdf
LAB.TODAY
บทความบางส่วนติดตามได้ในเล่ม
เว็บไซต์ที่เกี่ยวข้อง www.vertichrom.com, www.ligandsci.com |
