Dimethicone 1000 cSt ระบุเกรดความหนืดของของไหลซิลิโคน ซึ่งโดยทั่วไปกำหนดค่าที่ 25°C แต่ไม่ได้ระบุแรงหน่วง เวลาในการปิด หรือความต้านทานต่อการหมุน ผลลัพธ์เหล่านี้ขึ้นอยู่กับความหนืดไดนามิกของของไหลที่อุณหภูมิใช้งาน รูปทรงของกลไกหน่วง และความเร็วในการเคลื่อนที่ ดังนั้นข้อกำหนดที่มีประโยชน์จึงควรเชื่อมโยงเกรดความหนืดกับผลตอบสนองแรง–ความเร็ว หรือแรงบิด–ความเร็วที่วัดได้ภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด

ข้อแตกต่างประการแรกคือระหว่างความหนืดจลน์ ซึ่งมีหน่วยเป็นเซนติสโตก และความหนืดไดนามิก ซึ่งใช้ในการคำนวณการหน่วงส่วนใหญ่ ข้อแตกต่างประการที่สองคือระหว่างคุณสมบัติของของไหลที่วัดภายใต้เงื่อนไขควบคุม กับพฤติกรรมของชุดประกอบที่เติมของไหลแล้ว การสับสนระหว่างคุณสมบัติแต่ละคู่นี้อาจทำให้ได้ชิ้นส่วนที่ให้ความรู้สึกเหมาะสมในการทดลองที่อุณหภูมิห้อง แต่เคลื่อนที่ช้าเกินไปเมื่อเริ่มใช้งาน หรือสูญเสียแรงต้านหลังจากใช้งานซ้ำหลายครั้ง

ค่าระบุ 1000 cSt บอกอะไรได้จริง

ความหนืดจลน์อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความหนืดไดนามิกกับความหนาแน่น หนึ่งเซนติสโตกเท่ากับหนึ่งตารางมิลลิเมตรต่อวินาที ดังนั้น 1000 cSt จึงเท่ากับ 1000 mm²/s ค่านี้จะไม่สมบูรณ์หากไม่ระบุอุณหภูมิที่ใช้วัด เพราะค่า ณ 25°C ไม่สามารถนำไปเปรียบเทียบโดยตรงกับค่าที่วัด ณ 40°C ได้

การแปลงค่าที่จำเป็นสำหรับการคำนวณทางกลหลายประเภทคือ:

ความหนืดไดนามิก = ความหนืดจลน์ × ความหนาแน่น

เมื่อใช้ความหนืดจลน์หน่วย cSt และความหนาแน่นหน่วย g/cm³ ผลลัพธ์จะเป็นความหนืดไดนามิกหน่วย mPa·s ตัวอย่างการคำนวณโดยประมาณ: ของไหลที่มีความหนืด 1000 cSt และความหนาแน่น 0.97 g/cm³ ณ อุณหภูมิเดียวกัน จะมีความหนืดไดนามิก 970 mPa·s หรือ 0.97 Pa·s ความหนาแน่นในตัวอย่างนี้เป็นค่าที่สมมติขึ้น ไม่ใช่ข้อกำหนดสำหรับเกรด Dimethicone ทุกชนิด

“1000 cSt” ยังต้องมีค่าความคลาดเคลื่อนด้วย การระบุเกรดตามค่าพิกัดไม่ได้บอกช่วงค่าที่ยอมรับได้ของแต่ละล็อต ว่าค่าที่รายงานเป็นคุณสมบัติโดยทั่วไปหรือไม่ หรือมีการทดสอบทุกล็อตหรือไม่ เอกสารข้อมูลทางเทคนิคและใบรับรองผลการวิเคราะห์มีวัตถุประสงค์ต่างกัน โดยเอกสารข้อมูลทางเทคนิคอธิบายคุณสมบัติของเกรด ส่วนใบรับรองผลการวิเคราะห์บันทึกผลเฉพาะล็อตในกรณีที่มีการทดสอบ

โดยทั่วไป Dimethicone หมายถึง polydimethylsiloxane หรือ PDMS การจับคู่เฉพาะค่าความหนืดที่ระบุไม่ได้ยืนยันว่ามีการกระจายน้ำหนักโมเลกุล ปริมาณสารระเหย สารเติมแต่ง หรือความเหมาะสมกับกลไกหน่วงเฉพาะเหมือนกัน

ความหนืดเปลี่ยนเป็นแรงต้านการเคลื่อนที่ได้อย่างไร

ในช่องว่างเฉือนอย่างง่าย แรงต้านของของไหลเกิดขึ้นเมื่อพื้นผิวหนึ่งเคลื่อนที่เทียบกับอีกพื้นผิวหนึ่ง สำหรับการไหลแบบลามินาร์ของของไหลนิวโทเนียน โดยมีระยะห่างสม่ำเสมอและผลกระทบจากขอบน้อยมาก สามารถใช้ค่าประมาณต่อไปนี้ได้:

F = μAv/h

ในที่นี้ F คือแรงต้าน μ คือความหนืดไดนามิก A คือพื้นที่ที่เกิดแรงเฉือน v คือความเร็วสัมพัทธ์ของพื้นผิว และ h คือความหนาของฟิล์มของไหล ความสัมพันธ์นี้อธิบายได้ว่าทำไมค่าความหนืดเพียงค่าเดียวจึงไม่สามารถทำนายการหน่วงได้ การเพิ่มพื้นที่เปียกของของไหลจะเพิ่มแรง ส่วนการเพิ่มระยะห่างจะลดแรง การเปลี่ยนแปลงมิติอาจชดเชยผลจากการเปลี่ยนเกรดของของไหลได้

ตัวอย่างเช่น ภายใต้สมมติฐานดังกล่าว การเพิ่มความหนืดไดนามิกเป็นสองเท่าจะเพิ่มแรงต้านเป็นสองเท่าเมื่อความเร็วคงที่ ส่วนการลดระยะห่างลงครึ่งหนึ่งก็เพิ่มแรงเป็นสองเท่าเช่นกัน ความสัมพันธ์เหล่านี้เป็นไปตามแบบจำลอง ไม่ใช่ผลลัพธ์ที่รับประกันสำหรับแดมเปอร์ทั้งชุด ซึ่งอาจมีการรั่ว ซีล การไหลที่ขับเคลื่อนด้วยความดัน และรูปทรงที่เปลี่ยนแปลง ซึ่งล้วนทำให้เกิดแรงต้านเพิ่มเติม

แดมเปอร์แบบหมุนใช้หลักการทางกายภาพเดียวกัน แต่ความเร็วเฉพาะที่ของพื้นผิวจะเพิ่มขึ้นตามรัศมี ดังนั้นแรงบิดจึงขึ้นอยู่กับการกระจายตัวตามรัศมีของพื้นผิวทำงาน รวมถึงความหนืดและระยะห่าง ชุดประกอบสองชุดที่มีปริมาตรของไหลเท่ากันอาจให้แรงบิดแตกต่างกันอย่างมาก หากปริมาตรนั้นอยู่ในรูปทรงการทำงานที่ต่างกัน

ข้อจำกัดการไหลที่ขับเคลื่อนด้วยความดันมีพฤติกรรมแตกต่างจากช่องว่างเฉือนอย่างง่าย ในการไหลแบบลามินาร์ผ่านช่องทางแคบ การเปลี่ยนแปลงมิติเพียงเล็กน้อยอาจทำให้ความดันตกคร่อมเปลี่ยนแปลงมาก เมื่อแรงเฉื่อย การสูญเสียบริเวณทางเข้า หรือการไหลปั่นป่วนมีนัยสำคัญ แรงต้านจะไม่แปรผันตรงกับความหนืดอีกต่อไป ดังนั้นการเลือกของไหลที่มีความหนืดสูงขึ้นเพื่อชดเชยมิติของช่องทางที่ควบคุมไม่ได้ อาจทำให้ผลลัพธ์ระหว่างชุดประกอบไม่สม่ำเสมอ

อุณหภูมิทำให้เกรดขณะใช้งานเปลี่ยนแปลง

โดยทั่วไปของไหลซิลิโคนมีการเปลี่ยนแปลงความหนืดตามอุณหภูมิน้อยกว่าน้ำมันแร่ทั่วไปหลายชนิด แต่ความหนืดก็ยังลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบคือความหนืดตลอดช่วงอุณหภูมิใช้งานจริง รวมถึงช่วงเริ่มต้นขณะอุณหภูมิต่ำและอุณหภูมิที่เกิดขึ้นระหว่างการเคลื่อนที่ซ้ำ

การวัดเพียงครั้งเดียวที่อุณหภูมิห้องไม่สามารถระบุช่วงดังกล่าวได้ ข้อมูลความสัมพันธ์ระหว่างความหนืดกับอุณหภูมิของเกรดนั้นโดยเฉพาะมีประโยชน์กว่าคำกล่าวอ้างทั่วไปเรื่องเสถียรภาพทางความร้อน เสถียรภาพทางเคมี การคงความหนืดระหว่างการเสื่อมสภาพ และการตอบสนองของความหนืดต่ออุณหภูมิในทันที เป็นคุณสมบัติคนละประการ

สำหรับการเคลื่อนที่เชิงเส้น กำลังกลที่สูญเสียไปจากการหน่วงมีค่าประมาณเท่ากับแรงคูณด้วยความเร็ว สำหรับการหมุน มีค่าเท่ากับแรงบิดคูณด้วยความเร็วเชิงมุม พลังงานดังกล่าวจะเปลี่ยนเป็นความร้อน ดังนั้นการเคลื่อนที่ระยะสั้นในห้องปฏิบัติการกับการทดสอบหมุนเวียนอย่างต่อเนื่องจึงอาจให้แรงต้านแตกต่างกัน แม้เริ่มต้นที่อุณหภูมิแวดล้อมเดียวกัน

การปรับสภาพอุณหภูมิต้องครอบคลุมของไหลภายในชิ้นส่วนด้วย การที่อากาศในห้องทดสอบมีอุณหภูมิถึงค่าที่ตั้งไว้ไม่ได้ยืนยันว่าของไหลภายในจะปรับอุณหภูมิจนสมดุลแล้ว โดยเฉพาะในตัวเรือนขนาดใหญ่หรือชุดประกอบที่มีชิ้นส่วนเป็นฉนวน

เมื่อแรงต้านที่วัดได้ไม่เป็นไปตามความหนืด

ค่าประมาณแบบนิวโทเนียนมักมีประโยชน์กับของไหล PDMS ที่ไม่มีการดัดแปลงภายใต้สภาวะการทำงานระดับปานกลาง แต่ควรตรวจสอบในช่วงอัตราเฉือนที่เกี่ยวข้องด้วย ในช่องว่างอย่างง่าย อัตราเฉือนมีค่าประมาณเท่ากับความเร็วพื้นผิวหารด้วยระยะห่าง ดังนั้นการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วไม่มากผ่านระยะห่างที่แคบมาก อาจทำให้เกิดอัตราเฉือนสูงกว่าการเคลื่อนที่ที่ดูรวดเร็วในภาชนะเปิดอย่างมาก

หากวัสดุมีสารตัวเติม สารเพิ่มความข้น หรือสารปรับแต่งอื่น ๆ ผลความหนืดเพียงค่าเดียวจะให้ข้อมูลได้น้อยลง พฤติกรรมที่ขึ้นกับแรงเฉือนต้องใช้กราฟการไหลและขั้นตอนการวัดที่กำหนดไว้ การได้รับแรงเฉือนหรือความร้อนมากเกินไปอาจเปลี่ยนการตอบสนองได้เช่นกัน ดังนั้นการคาดการณ์ต่อเนื่องจากค่าความหนืดที่วัดด้วยแรงเฉือนต่ำจึงไม่น่าเชื่อถือ

แรงเสียดทานของซีลทำให้เกิดความแตกต่างอีกประการหนึ่ง แรงเริ่มเคลื่อนที่สูงตามด้วยแรงต้านขณะเคลื่อนที่ที่ต่ำลง มักบ่งชี้ถึงแรงเสียดทานสถิตหรือการยึดติดของซีล การเพิ่มความหนืดของของไหลจะเพิ่มส่วนของแรงต้านหนืด แต่ไม่จำเป็นต้องแก้ปัญหาการติดขัดในช่วงเริ่มต้น การบันทึกแรงต้านที่ความเร็วหลายระดับช่วยแยกผลกระทบเหล่านี้ได้ โดยส่วนที่แทบไม่ขึ้นกับความเร็วบ่งชี้ถึงแรงเสียดทาน ส่วนที่เพิ่มขึ้นตามความเร็วสอดคล้องกับการหน่วงแบบหนืด

อากาศทำให้เกิดลักษณะการตอบสนองที่แตกต่างออกไป ฟองอากาศที่ปะปนอยู่จะเพิ่มความสามารถในการอัดตัว ทำให้แรงต้านเกิดขึ้นล่าช้า การเคลื่อนที่คล้ายสปริง หรือการตอบสนองไม่สม่ำเสมอเมื่อเปลี่ยนทิศทาง การเติมของไหลกลับเข้าไปได้ไม่เพียงพออาจทำให้เกิดโพรงอากาศเฉพาะจุดขณะเคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว พฤติกรรมเหล่านี้ต้องพิจารณาการเติม การไล่อากาศ ความดัน และการออกแบบทางไหล การเปลี่ยนความหนืดเพียงอย่างเดียวไม่สามารถระบุสาเหตุได้

ความเข้ากันได้เป็นตัวกำหนดว่าแรงหน่วงจะคงที่หรือไม่

ของไหลต้องเข้ากันได้กับซีล พลาสติก สารเคลือบ กาว และวัสดุแปรรูปตกค้างทุกชนิด ตารางความทนทานต่อสารเคมีมีประโยชน์สำหรับการคัดกรอง แต่การทดสอบชุดประกอบจะช่วยยืนยันว่าการผสมผสานเฉพาะนั้นยังคงรักษาขนาด ความแข็งแรงเชิงกล และประสิทธิภาพการซีลภายใต้สภาวะการสัมผัสที่กำหนดไว้หรือไม่

อีลาสโตเมอร์ซิลิโคนควรได้รับการพิจารณาเป็นพิเศษ เนื่องจากของไหลซิลิโคนบางชนิดอาจทำให้วัสดุเหล่านี้บวม ความเข้ากันได้ยังขึ้นอยู่กับสูตรอีลาสโตเมอร์ ระบบการบ่ม อุณหภูมิ และระยะเวลาสัมผัส การระบุชื่อวัสดุแบบกว้าง ๆ ยังไม่เพียงพอที่จะยืนยันว่าซีลชนิดนั้นเหมาะสม

แรงตึงผิวต่ำทำให้ของไหลซิลิโคนแผ่กระจายเข้าสู่ช่องว่างขนาดเล็กและบนพื้นผิวได้ ของไหลที่ดูเหมือนถูกกักเก็บได้ดีในการทดลองระยะสั้น อาจเคลื่อนย้ายระหว่างการเก็บรักษาเป็นเวลานานหรือการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำ ๆ หากพบคราบน้ำมันบริเวณเพลาหรือรอยต่อของตัวเรือน ควรตรวจสอบเส้นทางการซีลและสภาวะความดันควบคู่ไปกับความหนืด

เอกลักษณ์ทางเคมีมีความสำคัญเมื่อประเมินสารทางเลือกหรือการปนเปื้อน 2-Ethyl-1,3-hexanediol CAS#94-96-2 เป็นไดออลอินทรีย์ที่ใช้ในงานต่าง ๆ รวมถึงการสังเคราะห์และการสกัดทางเคมี โดยมีความแตกต่างทางเคมีจาก PDMS ความหนาแน่น ลักษณะของเหลว หรือช่วงจุดเดือดของสารนี้ไม่สามารถยืนยันพฤติกรรมการหน่วงหรือความเข้ากันได้เทียบเท่ากับชุดประกอบที่เติมซิลิโคนได้ การใช้ทดแทนต้องมีหลักฐานเฉพาะสำหรับการใช้งาน

การวัดที่ทำให้การเปรียบเทียบเกรดมีความหมาย

ผลความหนืดควรระบุวิธีการ อุณหภูมิ หน่วย และช่วงการยอมรับ การวัดด้วยหลอดแคปิลลารีที่สอบเทียบแล้วใช้กำหนดความหนืดจลน์จากพฤติกรรมการไหลที่ควบคุมไว้ ส่วนการวัดแบบหมุนใช้กำหนดความหนืดจากความสัมพันธ์ระหว่างการเคลื่อนที่ที่ป้อนเข้าไปกับแรงบิดต้าน ผลการวัดต้องใช้อุปกรณ์ที่เหมาะสม การควบคุมอุณหภูมิ และขั้นตอนที่เหมาะกับของไหลนั้น ไม่ควรถือว่าค่าจากวิธีที่แตกต่างกันสามารถใช้แทนกันได้โดยไม่พิจารณาเงื่อนไขการวัด

สำหรับการเปรียบเทียบที่ไวต่ออุณหภูมิ ตัวอย่างต้องมีเวลาเพียงพอที่จะเข้าสู่สมดุลทางความร้อน ฟองอากาศ การปนเปื้อน และประวัติการจัดการตัวอย่างอาจทำให้เกิดความแตกต่างซึ่งถูกเข้าใจผิดว่าเกิดจากเกรดตามพิกัด การเก็บตัวอย่างอ้างอิงไว้ช่วยแยกความเปลี่ยนแปลงของวัสดุออกจากการคลาดเคลื่อนของการวัด

จากนั้นควรทดสอบชุดประกอบเพื่อเชื่อมโยงคุณสมบัติในห้องปฏิบัติการกับการเคลื่อนที่ตามวัตถุประสงค์:

1. กำหนดการตอบสนองในเชิงกล ได้แก่ แรงบิดต้านที่ความเร็วการหมุนที่ระบุ แรงที่ความเร็วเชิงเส้นที่กำหนด หรือเวลาเคลื่อนที่ภายใต้โหลดควบคุม
2. กำหนดสภาวะการเติมให้ทำซ้ำได้ ปริมาณของไหล ช่องว่างอากาศ การกำจัดฟองอากาศ และทิศทางการประกอบ ล้วนส่งผลต่อผลลัพธ์ โดยเฉพาะในกรณีที่ต้องให้ทางไหลจมอยู่ในของไหล
3. วัดในช่วงอุณหภูมิและความเร็วที่ต้องการ รวมพฤติกรรมขณะเริ่มต้นและการหมุนเวียนอย่างต่อเนื่อง หากทั้งสองกรณีเกิดขึ้นระหว่างการใช้งาน
4. หลังการหมุนเวียนและการเก็บรักษาตามสภาวะที่เกี่ยวข้องแล้ว ให้วัดค่าอ้างอิงซ้ำและตรวจสอบการสูญเสียของไหลหรือการเปลี่ยนแปลงของวัสดุที่สัมผัสกัน

เวลาเคลื่อนที่เพียงอย่างเดียวอาจบดบังสาเหตุของการเปลี่ยนแปลง ตัวอย่างเช่น กลไกที่ขับเคลื่อนด้วยสปริงจะรวมแรงบิดจากสปริง แรงเสียดทาน และแรงต้านของของไหล เวลาในการปิดที่นานขึ้นอาจเกิดจากความหนืดที่สูงขึ้น แรงขับที่ลดลง หรือแรงเสียดทานของซีลที่เพิ่มขึ้น การบันทึกแรงบิดหรือแรงควบคู่กับการเคลื่อนที่ช่วยให้เปรียบเทียบผลได้ชัดเจนยิ่งขึ้น

การเลือกว่าจะเปลี่ยนความหนืดหรือรูปทรง

การเลือกเกรดที่มีความหนืดสูงขึ้นเป็นตัวแปรที่สมเหตุสมผลในการพัฒนา เมื่อแรงต้านต่ำเกินไปอย่างสม่ำเสมอตลอดช่วงการทำงานที่ต้องการ และกลไกยังคงมีการไหลหนืดเป็นปัจจัยหลัก การเปรียบเทียบควรใช้ความหนืดไดนามิก ณ อุณหภูมิใช้งานแต่ละระดับ ไม่ใช่ใช้เพียงค่า cSt ตามพิกัดที่อุณหภูมิอ้างอิง

หากแรงต้านขณะเย็นสูงเกินไปอยู่แล้ว ขณะที่แรงต้านขณะร้อนไม่เพียงพอ การเพิ่มความหนืดอ้างอิงจะทำให้สภาวะเย็นแย่ลง รูปแบบเช่นนี้ควรตรวจสอบกราฟความหนืด–อุณหภูมิของของไหลและการตอบสนองต่ออุณหภูมิของกลไก หากมีแรงต้านมากเกินไปเฉพาะตอนเริ่มเคลื่อนที่ แรงเสียดทานของซีลเป็นประเด็นที่ควรตรวจสอบก่อน หากชุดประกอบที่ระบุว่าเหมือนกันมีค่าที่แตกต่างกันมาก ควรตรวจสอบระยะห่าง สภาวะการเติม และการรั่ว ก่อนเลือกเกรดอื่น

ดังนั้นข้อกำหนดของ Dimethicone 1000 cSt ที่ตรวจสอบได้จึงควรกำหนดทั้งช่วงการยอมรับของของไหลและข้อกำหนดประสิทธิภาพของชุดประกอบ แบบเขียนและขั้นตอนการทดสอบควรกำหนดรูปทรงที่เกี่ยวข้อง สภาวะการเติม อุณหภูมิ การเคลื่อนที่ และค่าความต้านทานที่ยอมรับได้ วิธีนี้ทำให้สามารถประเมินการเปลี่ยนแปลงของล็อตของไหลหรือมิติของชิ้นส่วนเทียบกับข้อกำหนดด้านการทำงานเดียวกันได้