Cos'è la viscosità?

La viscosità è un parametro primario quando si misura la portata di fluidi, come liquidi, semisolidi, gas e persino solidi. Brookfield si occupa di liquidi e semisolidi. Le misurazioni della viscosità vengono effettuate in combinazione con la qualità e l'efficienza del prodotto. Chiunque sia coinvolto nella caratterizzazione del flusso, ricerca o sviluppo, controllo di qualità o trasferimento di fluidi, in un punto o in un altro, è coinvolto in qualche tipo di misurazione della viscosità.

Molti produttori ora considerano i viscosimetri una parte cruciale dei loro programmi di ricerca, sviluppo e controllo dei processi. Sanno che le misurazioni della viscosità sono spesso il modo più veloce, accurato e affidabile per analizzare alcuni dei fattori più importanti che influenzano le prestazioni del prodotto.

Le relazioni reologiche ci aiutano a capire i fluidi con cui lavoriamo in modo che possiamo sapere come si comportano o costringerli a comportarsi secondo le nostre esigenze.

Esistono molte tecniche diverse per misurare la viscosità, ciascuna adatta a circostanze e materiali specifici. Selezionare il viscosimetro giusto tra le decine di strumenti disponibili per soddisfare le esigenze di qualsiasi applicazione è una proposta difficile. Gli strumenti odierni variano dai più semplici ai più complessi: dal conteggio dei secondi per il passaggio di un liquido da un bastoncino, alle apparecchiature automatiche di registrazione e controllo altamente sofisticate. Ciò pone l'utilizzatore dello strumento in una posizione in cui deve far valere il proprio apprezzamento dei fenomeni di flusso coinvolti, unito al "know-how e all'esperienza" del produttore dello strumento.

Brookfield è stato un pioniere nello sviluppo di strumenti per la misurazione della viscosità e l'elaborazione dei dati e uno stimolo per lo sviluppo della scienza. Abbiamo il "know-how e l'esperienza" per essere il vostro partner nella scelta della giusta strumentazione per controllare il vostro processo.

PERCHE' EFFETTUARE MISURE REOLOGICHE?

Chiunque inizi il processo di apprendimento del pensiero reologico dovrebbe prima porsi la domanda: "Perché dovrei prendere una misurazione della viscosità?" La risposta sta nelle esperienze di migliaia di persone che hanno eseguito tali misurazioni, dimostrando che è possibile ottenere molte informazioni comportamentali e predittive utili per vari prodotti, nonché la conoscenza degli effetti del trattamento, dei cambiamenti nella formulazione, dell'invecchiamento fenomeni, ecc.

Un motivo comune per misurare le proprietà reologiche può essere trovato nel campo del controllo di qualità, dove le materie prime devono essere coerenti da lotto a lotto. A tal fine, il comportamento del flusso è una misura indiretta della consistenza e della qualità del prodotto.

Un'altra ragione per fare studi sul comportamento del flusso è che è possibile ottenere una valutazione diretta della processabilità. Ad esempio, un liquido ad alta viscosità richiede più potenza per pompare rispetto a un liquido a bassa viscosità. Conoscere il suo comportamento reologico è quindi utile nella progettazione di sistemi di pompaggio e tubazioni.

È stato suggerito che la reologia è il metodo più sensibile per la caratterizzazione dei materiali perché il comportamento del flusso è sensibile a proprietà come il peso molecolare e la distribuzione del peso molecolare. Questa relazione è utile nella sintesi di polimeri, ad esempio, poiché consente di vedere le differenze relative senza eseguire misurazioni del peso molecolare. Le misurazioni reologiche sono utili anche per monitorare il corso di una reazione chimica. Tali misurazioni possono essere utilizzate come controllo di qualità durante la produzione o per monitorare e/o controllare un processo. Le misurazioni reologiche consentono di studiare i trattamenti chimici, meccanici e termici, gli effetti degli additivi o l'andamento di una reazione di indurimento. Sono anche un mezzo per prevedere e controllare una moltitudine di proprietà del prodotto, prestazioni di utilizzo finale e comportamento dei materiali.

PENSA REOLOGICAMENTE

Per cominciare, considera la domanda: "Può essere utilizzato un parametro reologico per correlare con alcuni aspetti del prodotto o del processo?" Per determinarlo, deve essere sviluppato un istinto per i tipi di fenomeni chimici e fisici che influenzano la risposta reologica. Per ora, supponiamo che queste informazioni siano note e che siano state identificate diverse possibilità. Il passo successivo è quello di raccogliere dati reologici preliminari per determinare quale tipo di comportamento del flusso è caratteristico del sistema in esame. Al livello più elementare, ciò comporta l'esecuzione di misurazioni con qualsiasi viscosimetro Brookfield disponibile e il trarre conclusioni basate sulle descrizioni del comportamento del flusso che seguono.

Una volta identificato il tipo di comportamento del flusso, si può capire meglio come interagiscono i componenti del sistema. I dati così ottenuti possono poi essere adattati ad uno dei modelli matematici che sono stati utilizzati con successo con gli strumenti Brookfield.

Questi modelli matematici variano da molto semplici a molto complessi. Alcuni di essi implicano semplicemente il tracciamento dei dati su carta millimetrata; altri richiedono di calcolare il rapporto tra due numeri. Alcuni sono piuttosto sofisticati e richiedono l'uso di calcolatrici o computer programmabili. Questo tipo di analisi è il modo migliore per ottenere il massimo dai nostri dati e spesso si traduce in una delle due costanti che riassumono i dati e possono essere correlate alle prestazioni del prodotto o del processo.

Una volta stabilita una correlazione tra i dati reologici e il comportamento del prodotto, la procedura può essere invertita e i dati reologici possono essere utilizzati per prevedere prestazioni e comportamento.

Lottando con la REOLOGIA

La reologia è definita dal dizionario come "lo studio del cambiamento nella forma e nel flusso della materia, abbracciando l'elasticità, la viscosità e la plasticità".

Siamo interessati a questo capitolo con una viscosità, ulteriormente definita come

l'attrito interno di un fluido, causato dall'attrazione molecolare, che lo fa resistere a una tendenza a fluire. Il viscosimetro Brookfield misura questo attrito e quindi funziona come uno strumento di reologia. Lo scopo di questo capitolo è di familiarizzare con i diversi tipi di comportamento del flusso e l'uso del viscosimetro Brookfield come strumento reologico per consentire di eseguire analisi dettagliate praticamente di qualsiasi fluido. Queste informazioni sono utili a tutti gli utenti del viscosimetro, in particolare a coloro che aderiscono a scuole di pensiero teoriche e accademiche sulla misurazione della viscosità.

VISCOSITÀ

La viscosità è la misura dell'attrito interno di un fluido. Questo attrito diventa evidente quando uno strato di fluido viene fatto muovere rispetto a un altro strato. Maggiore è l'attrito, maggiore è la forza necessaria per provocare questo movimento, chiamato taglio, è importante. Il taglio si verifica ogni volta che il fluido viene spostato o distribuito fisicamente, ad esempio durante il versamento, la diffusione, la spruzzatura, la miscelazione, ecc. I fluidi altamente viscosi richiedono quindi più forza per muoversi rispetto ai materiali meno viscosi.

Isaac Newton ha definito la viscosità considerando il modello mostrato nella figura sopra. Due piani paralleli di fluido con la stessa superficie A sono separati da una distanza dx e si muovono nella stessa direzione a velocità V1 e V2 differenti. Newton ipotizzò che la forza richiesta per mantenere questa differenza di velocità fosse proporzionale alla differenza di velocità attraverso il liquido, o gradiente di velocità. Per esprimere questo, Newton ha scritto:

Il gradiente di velocità, dv / dx, è una misura della variazione di velocità alla quale gli strati intermedi si muovono l'uno rispetto all'altro. Descrive il taglio che subisce il liquido ed è quindi chiamato velocità di taglio. Questo sarà simboleggiato da S nelle discussioni successive. La sua unità di misura è chiamata secondo reciproco (sec-1).

Il termine F/A indica la forza per unità di superficie necessaria per produrre l'azione di taglio. Si chiama sforzo di taglio e sarà simboleggiato da F . La sua unità di misura è dynes per centimetro quadrato (dynes / cm2).

Usando questi termini semplificati, la viscosità può essere definita matematicamente da questa formula:

L'unità di misura di base per la viscosità è l'equilibrio. Un materiale che richiede una sollecitazione di taglio di un dyne per centimetro quadrato per produrre una velocità di taglio reciproca di un secondo ha una viscosità di un poise, o 100 centipoise. Incontrerai misurazioni di viscosità espresse in Pascal-secondi (Pa · s) o milli-Pascal-secondi (mPa · s); sono unità del sistema internazionale e sono talvolta utilizzate in preferenza alle designazioni metriche. Un pascal-secondo è uguale a dieci poise; un milli-Pascal-secondo è uguale a un centipoise.

FLUIDI NEWTONIANI

Questo tipo di comportamento del flusso che Newton assume per tutti i fluidi è chiamato, ovviamente, Newtoniano. Tuttavia, questo è solo uno dei tanti tipi di comportamento del flusso che potresti incontrare. Un fluido newtoniano è rappresentato graficamente nella figura sottostante. Il grafico A mostra che la relazione tra lo sforzo di taglio (F ′) e la velocità di taglio (S) è una linea retta. Il grafico B mostra che la viscosità del fluido rimane costante al variare della velocità di taglio. I tipici fluidi newtoniani includono acqua e oli motore fluidi.

Newton ipotizzò che tutti i materiali avessero, a una data temperatura, una viscosità indipendente dalla velocità di taglio. In altre parole, il doppio della forza sposterebbe il fluido due volte più velocemente. Come vedremo, Newton aveva ragione solo in parte.

In pratica, ciò significa che a una data temperatura, la viscosità di un fluido newtoniano rimarrà costante indipendentemente dal modello di viscosimetro, mandrino o velocità utilizzati per misurarlo. Gli standard di viscosità Brookfield sono newtoniani nell'intervallo di velocità di taglio generate dalle apparecchiature Brookfield; per questo possono essere utilizzati con tutti i nostri modelli di viscosimetro. I newtoniani sono ovviamente i fluidi più facili da misurare: prendi il tuo viscosimetro e vai. Sfortunatamente non sono così comuni come quel gruppo di fluidi molto più complesso, i non newtoniani, di cui parleremo nella prossima sezione.

FLUIDI NON NEWTONIANI

Un fluido non newtoniano è generalmente definito come un fluido per il quale la relazione F ′ / S non è una costante. In altre parole, al variare della velocità di taglio, lo sforzo di taglio non varia nella stessa proporzione (o anche necessariamente nella stessa direzione). La viscosità di tali fluidi cambierà quindi al variare della velocità di taglio. Pertanto, i parametri sperimentali del modello viscosimetrico, del mandrino e della velocità hanno tutti un effetto sulla viscosità misurata di un fluido non newtoniano. Questa viscosità misurata è chiamata viscosità apparente del fluido ed è precisa solo quando vengono forniti e rispettati parametri sperimentali espliciti.

Un flusso non newtoniano può essere considerato considerando qualsiasi fluido come una miscela di molecole di diverse forme e dimensioni. Quando si intersecano, come accade durante il flusso, la loro dimensione, forma e coesione determineranno la forza necessaria per spostarli. Ad ogni velocità di taglio specifica, l'allineamento può essere diverso e può essere necessaria una forza maggiore o minore per mantenere il movimento.

Esistono diversi tipi di comportamento del flusso non newtoniano, caratterizzati da come la viscosità di un fluido cambia in risposta alle variazioni della velocità di taglio. I tipi più comuni di fluidi non newtoniani che potresti incontrare includono quanto segue:

pseudoplastico

Questo tipo di fluido mostrerà una viscosità decrescente all'aumentare della velocità di taglio, come mostrato nella figura sottostante. Probabilmente il più comune dei fluidi non newtoniani, le pseudoplastiche includono vernici, emulsioni e dispersioni di molti tipi. Questo tipo di comportamento del flusso viene talvolta definito assottigliamento per taglio.

dilatando

Una viscosità crescente con un aumento della velocità di taglio caratterizza il fluido dilatante; vedere la figura sotto. Sebbene sia più rara della pseudoplasticità, la dilatazione è comunemente osservata nei fluidi contenenti alti livelli di solidi deflocculati, come fanghi di argilla, composti di caramelle, amido di mais in acqua e miscele di sabbia. /acqua. L'espansione è indicata anche come comportamento del flusso di ispessimento a taglio.

Plastica

Questo tipo di fluido si comporterà come un solido in condizioni statiche. Una certa forza deve essere applicata al fluido prima che venga indotto un flusso; questa forza è chiamata valore di elasticità. Il ketchup è un buon esempio di questo tipo di fluido; il suo valore prestazionale spesso gli farà rifiutare di versare dalla bottiglia fino a quando la bottiglia non viene agitata o urtata, consentendo al ketchup di fuoriuscire liberamente. Una volta superato il limite di flusso e iniziato il flusso, i fluidi plastici possono presentare caratteristiche di flusso newtoniano, pseudoplastico o dilatante. Vedi la figura sotto.

Finora abbiamo discusso solo dell'effetto della velocità di taglio sui fluidi non newtoniani. Cosa succede se si tiene conto dell'elemento temporale? Questa domanda ci porta ad esaminare altri due tipi di flussi non newtoniani: tissotropico e reopettico.

TISSOTROPIA E REOPESSIA

Alcuni fluidi mostrano una variazione della viscosità nel tempo in condizioni di velocità di taglio costante. Ci sono due categorie da considerare:

tissotropia

Come mostrato nella figura sottostante, un fluido tissotropico subisce una diminuzione della viscosità nel tempo, mentre è soggetto a un taglio costante.

reopessia

Questo è essenzialmente l'opposto del comportamento tissotropico, in quanto la viscosità del fluido aumenta nel tempo poiché viene tagliata a velocità costante. Vedi la figura sotto.

La tissotropia e la reopessia possono verificarsi in combinazione con uno qualsiasi dei comportamenti di flusso discussi in precedenza, o solo a determinate velocità di taglio. L'elemento tempo è estremamente variabile; in condizioni di taglio costante, alcuni fluidi raggiungeranno il loro valore di viscosità finale in pochi secondi, mentre altri possono richiedere fino a diversi giorni.

Raramente si incontrano fluidi reopettici. Tuttavia, la tissotropia si osserva frequentemente in materiali come grassi, inchiostri da stampa pesanti e vernici.

Se sottoposto a velocità di taglio variabili, un fluido tissotropico reagirà come mostrato nella figura seguente. È stato realizzato un grafico della sollecitazione di taglio rispetto alla velocità di taglio quando la velocità di taglio è stata aumentata a un certo valore e quindi diminuita immediatamente al punto di partenza. Notare che le curve superiore e inferiore non coincidono. Questo ciclo di isteresi è causato dalla diminuzione della viscosità del fluido con l'aumento del tempo di taglio. Tali effetti possono o non possono essere reversibili; alcuni fluidi tixotropici, se lasciati riposare per un po', ritorneranno alla loro viscosità originale, mentre altri non lo faranno mai.

Il comportamento reologico di un fluido può, ovviamente, avere un profondo effetto sulla tecnica di misurazione della viscosità. Più avanti, discuteremo di alcuni di questi effetti e dei modi per affrontarli.

FLUSSO LAMINARE E TURBOLENTE

La stessa definizione di viscosità implica l'esistenza di quello che viene chiamato flusso laminare: il movimento di uno strato di fluido di fronte a un altro senza trasferimento di materiale dall'uno all'altro. La viscosità è l'attrito tra questi strati.

A seconda di una serie di fattori, esiste una certa velocità massima alla quale uno strato di fluido può muoversi rispetto a un altro, oltre la quale si verifica un vero trasferimento di massa. Questa si chiama turbolenza. Molecole o particelle più grandi saltano da uno strato all'altro e dissipano una notevole quantità di energia nel processo. Il risultato netto è che è necessaria più energia in ingresso per mantenere questo flusso turbolento rispetto al flusso laminare alla stessa velocità.

L'aumento di energia in ingresso si manifesta con uno sforzo di taglio apparentemente maggiore di quello che si osserverebbe in condizioni di flusso laminare alla stessa velocità di taglio. Ciò si traduce in una lettura errata dell'alta viscosità.

Il punto in cui il flusso laminare evolve in flusso turbolento dipende da altri fattori oltre alla velocità con cui si muovono gli strati. La viscosità e la densità di un materiale, nonché la geometria degli assi del viscosimetro e del contenitore del campione, influenzano tutti il punto in cui si verifica questa transizione.

Bisogna fare attenzione a distinguere tra condizioni di flusso turbolento e comportamento di flusso espansivo. In generale, i materiali espansori mostreranno una viscosità in costante aumento con l'aumento della velocità di taglio; Il flusso turbolento è caratterizzato da un aumento relativamente improvviso e sostanziale della viscosità al di sopra di una certa velocità di taglio. Il comportamento di flusso del materiale può essere newtoniano o non newtoniano al di sotto di questo punto.

A causa delle velocità di taglio relativamente basse a cui opera la maggior parte dei viscosimetri Brookfield, è improbabile che si verifichi un flusso turbolento a meno che non si misurino viscosità inferiori a 15 cP con un viscosimetro serie LV o 85 cP con altri modelli. Maggiore è la viscosità di un fluido, minore è la probabilità che si verifichi turbolenza. Se si osserva turbolenza durante la misurazione di fluidi a bassa viscosità, spesso può essere eliminata utilizzando l'accessorio UL Adapter ™.

COSA INFLUISCE SULLE PROPRIETÀ REOLOGICHE?

I dati di viscosità spesso funzionano come una "finestra" attraverso la quale è possibile osservare altre caratteristiche di un materiale. La viscosità è più facilmente misurabile rispetto ad alcune delle proprietà che la influenzano, il che la rende uno strumento prezioso per la caratterizzazione dei materiali. In precedenza in questo capitolo, abbiamo discusso vari tipi di comportamento reologico e come identificarli. Dopo aver identificato un particolare comportamento reologico in un materiale, ci si potrebbe chiedere cosa implica questa informazione sulle sue altre caratteristiche. Questa sezione, basata sulle informazioni raccolte da anni di esperienza del cliente, è progettata come un "sollevatore" per farti pensare ai misteri che il tuo viscosimetro può aiutarti a risolvere.

Temperatura

Uno dei fattori più evidenti che possono influenzare il comportamento reologico di un materiale è la temperatura. Alcuni materiali sono piuttosto sensibili alla temperatura e un cambiamento relativamente piccolo causerà un cambiamento significativo nella viscosità. Altri sono relativamente insensibili. La considerazione dell'effetto della temperatura sulla viscosità è essenziale nella valutazione dei materiali che saranno soggetti a variazioni di temperatura durante l'uso o la lavorazione, come oli motore, grassi e adesivi hot melt.

Tasso di taglio

I fluidi non newtoniani tendono ad essere la regola piuttosto che l'eccezione nel mondo reale, rendendo l'apprezzamento degli effetti della velocità di taglio una necessità per chiunque sia impegnato nell'applicazione pratica dei dati reologici. Sarebbe, ad esempio, disastroso cercare di pompare un fluido in espansione attraverso un sistema, in modo che si solidifichi all'interno della pompa, il che interromperebbe bruscamente l'intero processo. Sebbene questo sia un esempio estremo, l'importanza degli effetti della velocità di taglio non deve essere sottovalutata.

Quando un materiale deve essere sottoposto a varie velocità di taglio durante la lavorazione o l'uso, è essenziale conoscerne la viscosità alle velocità di taglio previste. Se questi non sono noti, è necessario effettuare una stima. Le misurazioni della viscosità dovrebbero quindi essere effettuate a velocità di taglio il più vicino possibile ai valori stimati.

Spesso non è possibile approssimare i valori di velocità di taglio previsti durante la misurazione a causa di questi valori che non rientrano nell'intervallo di velocità di taglio del viscosimetro. In questo caso è necessario eseguire misure a più shear rate ed estrapolare i dati ai valori proiettati. Non è il metodo più accurato per acquisire queste informazioni, ma spesso è l'unica alternativa disponibile, soprattutto quando le velocità di taglio previste sono molto elevate. Infatti, è sempre consigliabile eseguire misure di viscosità a più velocità di taglio per rilevare comportamenti reologici che possono avere un effetto sul trattamento o sull'uso. Quando i valori della velocità di taglio sono sconosciuti o non importanti, spesso è sufficiente un campione della viscosità in funzione dei giri al minuto.

Esempi di materiali soggetti e interessati da grandi variazioni della velocità di taglio durante la lavorazione e l'uso sono: vernici, cosmetici, lattice liquido, rivestimenti, alcuni prodotti alimentari e sangue nel sistema circolatorio umano. La tabella seguente mostra esempi tipici di velocità di taglio variabili.