Wat is viscositeit?

Viscositeit is een primaire parameter bij het meten van de stroomsnelheid van vloeistoffen, zoals vloeistoffen, halfvaste stoffen, gassen en zelfs vaste stoffen. Brookfield houdt zich bezig met vloeistoffen en halfvaste stoffen. Viscositeitsmetingen worden gedaan in combinatie met productkwaliteit en efficiëntie. Iedereen die op een of ander moment betrokken is bij stroomkarakterisering, onderzoek of ontwikkeling, kwaliteitscontrole of vloeistofoverdracht, is betrokken bij een soort viscositeitsmeting.

Veel fabrikanten beschouwen viscosimeters nu als een cruciaal onderdeel van hun programma's voor onderzoek, ontwikkeling en procesbeheersing. Ze weten dat viscositeitsmetingen vaak de snelste, meest nauwkeurige en meest betrouwbare manier zijn om enkele van de belangrijkste factoren die van invloed zijn op de productprestaties te analyseren.

Reologische relaties helpen ons de vloeistoffen waarmee we werken te begrijpen, zodat we kunnen weten hoe ze zich gedragen of ze kunnen dwingen zich te gedragen volgens onze behoeften.

Er zijn veel verschillende technieken voor het meten van viscositeit, elk geschikt voor specifieke omstandigheden en materialen. Het selecteren van de juiste viscositeitsmeter uit de tientallen beschikbare instrumenten om aan de behoeften van elke toepassing te voldoen, is een moeilijke propositie. Instrumenten variëren tegenwoordig van de eenvoudigste tot de meest complexe: van het tellen van seconden voor een vloeistof om uit een stokje te stromen, tot zeer geavanceerde automatische opname- en controleapparatuur. Dit plaatst de gebruiker van het instrument in een positie waarin zijn eigen appreciatie van de betrokken stromingsverschijnselen, gekoppeld aan de "kennis en ervaring" van de fabrikant van het instrument, moet worden toegepast.

Brookfield was een pionier in de ontwikkeling van instrumenten voor viscositeitsmeting en dataverwerking en een stimulans voor de ontwikkeling van de wetenschap. Wij hebben de “knowhow en ervaring” om uw partner te zijn bij het selecteren van de juiste instrumentatie om uw proces te beheersen.

WAAROM RHEOLOGISCHE METINGEN UITVOEREN?

Iedereen die het proces van het leren van reologisch denken begint, moet zich eerst de vraag stellen: "Waarom zou ik een viscositeitsmeting uitvoeren?" Het antwoord ligt in de ervaringen van duizenden mensen die dergelijke metingen hebben uitgevoerd, waaruit blijkt dat het mogelijk is om veel gedrags- en voorspellende informatie te verkrijgen die nuttig is voor verschillende producten, evenals kennis van de effecten van behandeling, veranderingen in formulering, veroudering verschijnselen, enz.

Een veel voorkomende reden voor het meten van reologische eigenschappen is te vinden op het gebied van kwaliteitscontrole, waar grondstoffen van batch tot batch consistent moeten zijn. Hiertoe is het vloeigedrag een indirecte maatstaf voor productconsistentie en kwaliteit.

Een andere reden om stromingsgedragstudies te doen is dat een directe beoordeling van de verwerkbaarheid kan worden verkregen. Een vloeistof met een hoge viscositeit heeft bijvoorbeeld meer kracht nodig om te pompen dan een vloeistof met een lage viscositeit. Het kennen van het reologische gedrag is daarom nuttig bij het ontwerpen van pomp- en leidingsystemen.

Er is gesuggereerd dat reologie de meest gevoelige methode is voor materiaalkarakterisering omdat stromingsgedrag gevoelig is voor eigenschappen zoals molecuulgewicht en molecuulgewichtsverdeling. Deze relatie is bijvoorbeeld nuttig bij de synthese van polymeren, omdat hierdoor relatieve verschillen kunnen worden gezien zonder metingen van het molecuulgewicht uit te voeren. Reologische metingen zijn ook nuttig om het verloop van een chemische reactie te volgen. Dergelijke metingen kunnen worden gebruikt als kwaliteitscontrole tijdens de productie of om een proces te bewaken en/of te sturen. Reologische metingen maken het mogelijk om chemische, mechanische en thermische behandelingen, de effecten van additieven of het verloop van een uithardingsreactie te bestuderen. Ze zijn ook een middel om een groot aantal producteigenschappen, eindgebruiksprestaties en materiaalgedrag te voorspellen en te beheersen.

DENK RHEOLOGISCH

Overweeg om te beginnen de vraag: "Kan een reologische parameter worden gebruikt om te correleren met een bepaald aspect van het product of proces?" Om dit te bepalen, moet een instinct worden ontwikkeld voor de soorten chemische en fysische verschijnselen die de reologische respons beïnvloeden. Laten we voorlopig aannemen dat deze informatie bekend is en dat er verschillende mogelijkheden zijn geïdentificeerd. De volgende stap is het verzamelen van voorlopige reologische gegevens om te bepalen welk type stromingsgedrag kenmerkend is voor het systeem in kwestie. Op het meest basale niveau omvat dit het nemen van metingen met elke beschikbare Brookfield-viscosimeter en het trekken van conclusies op basis van de beschrijvingen van het stromingsgedrag die volgen.

Zodra het type stromingsgedrag is geïdentificeerd, kan men beter begrijpen hoe de componenten van het systeem op elkaar inwerken. De zo verkregen gegevens kunnen vervolgens worden aangepast aan een van de wiskundige modellen die met succes zijn gebruikt met de Brookfield-instrumenten.

Deze wiskundige modellen variëren van zeer eenvoudig tot zeer complex. Sommigen van hen omvatten eenvoudig het plotten van gegevens op ruitjespapier; voor andere moet je de verhouding van twee getallen berekenen. Sommige zijn behoorlijk geavanceerd en vereisen het gebruik van rekenmachines of programmeerbare computers. Dit type analyse is de beste manier om het meeste uit onze gegevens te halen en resulteert vaak in een van de twee constanten die de gegevens samenvatten en gerelateerd kunnen zijn aan de prestaties van het product of proces.

Zodra een correlatie is vastgesteld tussen de reologische gegevens en het productgedrag, kan de procedure worden omgekeerd en kunnen de reologische gegevens worden gebruikt om prestaties en gedrag te voorspellen.

Worstelen met RHEOLOGIE

Reologie wordt door het woordenboek gedefinieerd als "de studie van de verandering in vorm en stroming van materie, waarbij elasticiteit, viscositeit en plasticiteit worden omarmd."

We zijn geïnteresseerd in dit hoofdstuk met een viscositeit, verder gedefinieerd als:

de interne wrijving van een vloeistof, veroorzaakt door moleculaire aantrekking, waardoor het weerstand biedt aan de neiging om te stromen. Uw Brookfield-viscosimeter meet deze wrijving en functioneert daarom als een reologie-instrument. Het doel van dit hoofdstuk is om u vertrouwd te maken met de verschillende soorten stromingsgedrag en het gebruik van de Brookfield-viscosimeter als reologisch instrument om u in staat te stellen gedetailleerde analyses uit te voeren van vrijwel elke vloeistof. Deze informatie is nuttig voor alle gebruikers van viscositeitsmeters, vooral degenen die zich houden aan theoretische en academische stromingen over viscositeitsmeting.

VISCOSITEIT

Viscositeit is de maat voor de interne wrijving van een vloeistof. Deze wrijving wordt duidelijk wanneer een vloeistoflaag wordt verplaatst ten opzichte van een andere laag. Hoe groter de wrijving, hoe groter de kracht die nodig is om deze beweging, afschuiving genaamd, te veroorzaken. Afschuiving vindt plaats wanneer vloeistof fysiek wordt verplaatst of verdeeld, zoals bij het gieten, verspreiden, spuiten, mengen, enz. Hoog viskeuze vloeistoffen hebben daarom meer kracht nodig om te bewegen dan minder viskeuze materialen.

Isaac Newton definieerde de viscositeit door het model in de bovenstaande afbeelding te beschouwen. Twee evenwijdige vloeistofvlakken met hetzelfde oppervlak A zijn gescheiden door een afstand dx en bewegen in dezelfde richting met verschillende snelheden V1 en V2. Newton nam aan dat de kracht die nodig was om dit snelheidsverschil in stand te houden evenredig was met het snelheidsverschil door de vloeistof, oftewel de snelheidsgradiënt. Om dit uit te drukken, schreef Newton:

De snelheidsgradiënt, dv / dx, is een maat voor de verandering in snelheid waarmee de tussenlagen ten opzichte van elkaar bewegen. Het beschrijft de afschuiving die de vloeistof ondergaat en wordt daarom de afschuifsnelheid genoemd. Dit zal in volgende discussies worden gesymboliseerd door S. De meeteenheid wordt de reciproke seconde (sec-1) genoemd.

De term F / A geeft de kracht per oppervlakte-eenheid aan die nodig is om de afschuifwerking te produceren. Het wordt schuifspanning genoemd en wordt gesymboliseerd door F . De meeteenheid is dynes per vierkante centimeter (dynes / cm2).

Met behulp van deze vereenvoudigde termen kan viscositeit wiskundig worden gedefinieerd met deze formule:

De basiseenheid voor viscositeit is evenwicht. Een materiaal dat een schuifspanning van één dyne per vierkante centimeter vereist om een wederzijdse afschuifsnelheid van één seconde te produceren, heeft een viscositeit van één poise of 100 centipoise. U zult viscositeitsmetingen tegenkomen die worden uitgedrukt in Pascal-seconden (Pa · s) of milli-Pascal-seconden (mPa · s); het zijn eenheden van het internationale systeem en worden soms gebruikt in plaats van metrische aanduidingen. Eén pascal-seconde is gelijk aan tien poises; een milli-Pascal-seconde is gelijk aan een centipoise.

NEWTONIAANSE VLOEISTOFFEN

Dit type stromingsgedrag dat Newton voor alle vloeistoffen aanneemt, wordt, niet verwonderlijk, Newtoniaans genoemd. Dit is echter slechts een van de vele soorten stromingsgedrag die u kunt tegenkomen. Een Newtonse vloeistof is grafisch weergegeven in de onderstaande figuur. Grafiek A laat zien dat de relatie tussen de schuifspanning (F ′) en de schuifsnelheid (S) een rechte lijn is. Grafiek B laat zien dat de viscositeit van de vloeistof constant blijft als de afschuifsnelheid varieert. Typische Newtoniaanse vloeistoffen zijn water en vloeibare motoroliën.

Newton nam aan dat alle materialen bij een gegeven temperatuur een viscositeit hebben die onafhankelijk is van de afschuifsnelheid. Met andere woorden, twee keer de kracht zou de vloeistof twee keer zo snel verplaatsen. Zoals we zullen zien, had Newton slechts gedeeltelijk gelijk.

In de praktijk betekent dit dat bij een bepaalde temperatuur de viscositeit van een Newtonse vloeistof constant blijft, ongeacht welk viscometermodel, spil of snelheid u gebruikt om het te meten. Brookfield-viscositeitsnormen zijn Newtoniaans in het bereik van afschuifsnelheden gegenereerd door Brookfield-apparatuur; daarom kunnen ze worden gebruikt met al onze viscosimetermodellen. Newtonianen zijn duidelijk de gemakkelijkste vloeistoffen om te meten - pak gewoon je viscometer en ga. Ze komen helaas niet zo vaak voor als die veel complexere groep vloeistoffen, de niet-Newtonianen, die we in de volgende sectie zullen bespreken.

NIET-NEWTONISCHE VLOEISTOFFEN

Een niet-Newtonse vloeistof wordt ruim gedefinieerd als een vloeistof waarvoor de relatie F ′ / S geen constante is. Met andere woorden, wanneer de afschuifsnelheid wordt gevarieerd, varieert de afschuifspanning niet in dezelfde verhouding (of zelfs noodzakelijkerwijs in dezelfde richting). De viscositeit van dergelijke vloeistoffen zal daarom veranderen naarmate de afschuifsnelheid varieert. De experimentele parameters van het viscosimetermodel, spindel en snelheid hebben dus allemaal een effect op de gemeten viscositeit van een niet-Newtonse vloeistof. Deze gemeten viscositeit wordt de schijnbare viscositeit van de vloeistof genoemd en is alleen nauwkeurig wanneer expliciete experimentele parameters worden verstrekt en gerespecteerd.

Een niet-Newtoniaanse stroming kan worden beschouwd door elke vloeistof te beschouwen als een mengsel van moleculen van verschillende vormen en maten. Wanneer ze elkaar kruisen, zoals gebeurt tijdens stroming, bepalen hun grootte, vorm en cohesie de kracht die nodig is om ze te verplaatsen. Bij elke specifieke afschuifsnelheid kan de uitlijning anders zijn en kan er meer of minder kracht nodig zijn om de beweging te handhaven.

Er zijn verschillende soorten niet-Newtons stromingsgedrag, gekenmerkt door hoe de viscositeit van een vloeistof verandert als reactie op veranderingen in de afschuifsnelheid. De meest voorkomende soorten niet-Newtoniaanse vloeistoffen die u kunt tegenkomen, zijn de volgende:

pseudoplastisch

Dit type vloeistof zal een afnemende viscositeit vertonen met toenemende afschuifsnelheid, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding. Waarschijnlijk de meest voorkomende van de niet-Newtoniaanse vloeistoffen, pseudokunststoffen, omvatten verven, emulsies en dispersies van vele soorten. Dit type vloeigedrag wordt ook wel afschuifverdunning genoemd.

uitzetten

Een toenemende viscositeit met een toename van de afschuifsnelheid kenmerkt de dilaterende vloeistof; zie onderstaande figuur. Hoewel zeldzamer dan pseudoplasticiteit, wordt dilatatie vaak gezien in vloeistoffen die een hoog gehalte aan gedeflocculeerde vaste stoffen bevatten, zoals kleislib, snoepverbindingen, maïszetmeel in water en zandmengsels./water. Uitzetting wordt ook wel afschuifverdikkingsstromingsgedrag genoemd.

Plastic

Dit type vloeistof zal zich onder statische omstandigheden als een vaste stof gedragen. Er moet enige kracht op de vloeistof worden uitgeoefend voordat een stroming wordt opgewekt; deze kracht wordt de elasticiteitswaarde genoemd. Tomatenketchup is een goed voorbeeld van dit soort vloeistof; zijn prestatiewaarde zal er vaak toe leiden dat het weigert uit de fles te schenken totdat de fles wordt geschud of geklopt, waardoor de ketchup vrijuit kan spuiten. Zodra de stroomlimiet wordt overschreden en de stroom begint, kunnen plastic vloeistoffen Newtoniaanse, pseudoplastische of dilaterende stroomkenmerken vertonen. Zie onderstaande figuur.

Tot nu toe hebben we alleen het effect van de afschuifsnelheid op niet-Newtonse vloeistoffen besproken. Wat gebeurt er als het tijdselement in aanmerking wordt genomen? Deze vraag brengt ons ertoe twee andere soorten niet-Newtoniaanse stromingen te onderzoeken: thixotroop en reopectisch.

THIXOTROPY EN RHEOPEXY

Sommige vloeistoffen vertonen in de loop van de tijd een verandering in viscositeit bij constante afschuifsnelheid. Er zijn twee categorieën om te overwegen:

Thixotropie

Zoals te zien is in onderstaande figuur, ondergaat een thixotrope vloeistof in de loop van de tijd een viscositeitsdaling, terwijl deze onderhevig is aan constante afschuiving.

Rheopexy

Dit is in wezen het tegenovergestelde van thixotroop gedrag, in die zin dat de viscositeit van de vloeistof in de loop van de tijd toeneemt als deze met een constante snelheid wordt afgeschoven. Zie onderstaande figuur.

Thixotropie en rheopexie kunnen optreden in combinatie met elk van de eerder besproken stromingsgedragingen, of alleen bij bepaalde afschuifsnelheden. Het tijdselement is extreem variabel; onder constante afschuifomstandigheden zullen sommige vloeistoffen binnen enkele seconden hun uiteindelijke viscositeitswaarde bereiken, terwijl andere tot enkele dagen kunnen duren.

Reopectische vloeistoffen worden zelden aangetroffen. Thixotropie wordt echter vaak waargenomen in materialen zoals vetten, zware drukinkten en verven.

Bij blootstelling aan variërende afschuifsnelheden zal een thixotrope vloeistof reageren zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding. Een grafiek van schuifspanning versus afschuifsnelheid werd gemaakt wanneer de afschuifsnelheid werd verhoogd tot een bepaalde waarde en vervolgens onmiddellijk werd verlaagd tot het startpunt. Merk op dat de bovenste en onderste curven niet samenvallen. Deze hysteresislus wordt veroorzaakt door de afname van de vloeistofviscositeit met toenemende afschuiftijd. Dergelijke effecten kunnen al dan niet omkeerbaar zijn; sommige thixotrope vloeistoffen zullen, als ze een tijdje blijven staan, terugkeren naar hun oorspronkelijke viscositeit, terwijl andere dat nooit zullen doen.

Het reologische gedrag van een vloeistof kan natuurlijk een diepgaand effect hebben op de techniek van het meten van viscositeit. Later zullen we enkele van deze effecten bespreken en manieren om ermee om te gaan.

LAMINAIR EN TURBULENTE STROOM

De definitie van viscositeit impliceert het bestaan van wat laminaire stroming wordt genoemd: de beweging van de ene laag vloeistof voor de andere zonder overdracht van materiaal van de ene naar de andere. Viscositeit is de wrijving tussen deze lagen.

Afhankelijk van een aantal factoren is er een bepaalde maximale snelheid waarmee de ene laag vloeistof ten opzichte van de andere kan bewegen, waarboven echte massaoverdracht plaatsvindt. Dit wordt turbulentie genoemd. Grotere moleculen of deeltjes springen van laag naar laag en dissiperen daarbij een aanzienlijke hoeveelheid energie. Het netto resultaat is dat er meer energie nodig is om deze turbulente stroming in stand te houden dan laminaire stroming met dezelfde snelheid.

De verhoogde energie-invoer wordt gemanifesteerd door een schijnbaar grotere schuifspanning dan die zou worden waargenomen onder laminaire stromingsomstandigheden bij dezelfde schuifsnelheid. Dit resulteert in een foutieve aflezing met een hoge viscositeit.

Het punt waarop laminaire stroming overgaat in turbulente stroming hangt af van andere factoren dan de snelheid waarmee de lagen bewegen. De viscositeit en dichtheid van een materiaal, evenals de asgeometrie van de viscosimeter en monstercontainer, beïnvloeden allemaal het punt waarop deze overgang plaatsvindt.

Er moet voor worden gezorgd dat onderscheid wordt gemaakt tussen turbulente stromingsomstandigheden en expansief stromingsgedrag. In het algemeen zullen expanderende materialen een constant toenemende viscositeit vertonen met toenemende afschuifsnelheid; turbulente stroming wordt gekenmerkt door een relatief plotselinge en aanzienlijke toename van de viscositeit boven een bepaalde afschuifsnelheid. Het vloeigedrag van het materiaal kan onder dit punt Newtoniaans of niet-Newtoniaans zijn.

Vanwege de relatief lage afschuifsnelheden waarmee de meeste Brookfield-viscosimeters werken, is het onwaarschijnlijk dat u turbulente stroming zult tegenkomen, tenzij u viscositeiten onder 15 cP meet met een LV-serie viscosimeter of 85 cP met andere modellen. Hoe hoger de viscositeit van een vloeistof, hoe kleiner de kans op turbulentie. Als turbulentie wordt waargenomen bij het meten van vloeistoffen met een lage viscositeit, kan deze vaak worden geëlimineerd door het UL Adapter ™ -accessoire te gebruiken.

WAT BENVLOEDT RHEOLOGISCH EIGENDOM?

Viscositeitsgegevens fungeren vaak als een "venster" waardoor andere eigenschappen van een materiaal kunnen worden waargenomen. Viscositeit is gemakkelijker te meten dan sommige eigenschappen die erop van invloed zijn, waardoor het een waardevol hulpmiddel is voor materiaalkarakterisering. Eerder in dit hoofdstuk hebben we verschillende soorten reologisch gedrag besproken en hoe we ze kunnen identificeren. Na het identificeren van een bepaald reologisch gedrag in een materiaal, vraagt u zich misschien af wat deze informatie inhoudt over de andere kenmerken ervan. Dit gedeelte, gebaseerd op informatie die is verkregen uit jarenlange klantervaring, is bedoeld als een "kietel" om u aan het denken te zetten over de mysteries die uw viscosimeter u kan helpen oplossen.

Temperatuur

Een van de meest voor de hand liggende factoren die het reologische gedrag van een materiaal kunnen beïnvloeden, is de temperatuur. Sommige materialen zijn behoorlijk temperatuurgevoelig en een relatief kleine verandering zal een significante verandering in viscositeit veroorzaken. Anderen zijn relatief ongevoelig. Het in overweging nemen van het effect van temperatuur op de viscositeit is essentieel bij het beoordelen van materialen die tijdens gebruik of verwerking onderhevig zullen zijn aan temperatuurschommelingen, zoals motoroliën, vetten en lijmen.

Afschuifsnelheid:

Niet-Newtoniaanse vloeistoffen zijn in de echte wereld eerder regel dan uitzondering, waardoor een beoordeling van de effecten van afschuifsnelheid een noodzaak is voor iedereen die zich bezighoudt met de praktische toepassing van reologische gegevens. Het zou bijvoorbeeld rampzalig zijn om te proberen een uitzettende vloeistof door een systeem te pompen, zodat het stolt in de pomp, waardoor het hele proces abrupt zou stoppen. Hoewel dit een extreem voorbeeld is, moet het belang van de effecten van de afschuifsnelheid niet worden onderschat.

Wanneer een materiaal moet worden onderworpen aan verschillende afschuifsnelheden tijdens verwerking of gebruik, is het essentieel om de viscositeit ervan te kennen bij de verwachte afschuifsnelheden. Indien deze niet bekend zijn, dient een inschatting te worden gemaakt. Viscositeitsmetingen moeten dan worden uitgevoerd met afschuifsnelheden die zo dicht mogelijk bij de geschatte waarden liggen.

Het is vaak niet mogelijk om de geschatte afschuifsnelheidswaarden tijdens de meting te benaderen omdat deze waarden buiten het afschuifsnelheidsbereik van de viscosimeter vallen. In dit geval is het noodzakelijk om metingen uit te voeren met verschillende afschuifsnelheden en om de gegevens te extrapoleren naar de geprojecteerde waarden. Het is niet de meest nauwkeurige methode om deze informatie te verkrijgen, maar het is vaak het enige beschikbare alternatief, vooral wanneer de verwachte afschuifsnelheden erg hoog zijn. Het is inderdaad altijd raadzaam om viscositeitsmetingen uit te voeren bij verschillende afschuifsnelheden om reologisch gedrag te detecteren dat een effect kan hebben op de behandeling of het gebruik. Wanneer de afschuifsnelheidswaarden onbekend of niet belangrijk zijn, zal een monster van de viscositeit versus rpm per minuut vaak voldoende zijn.

Voorbeelden van materialen die onderhevig zijn aan en worden beïnvloed door grote variaties in afschuifsnelheid tijdens verwerking en gebruik zijn: verven, cosmetica, vloeibare latex, coatings, bepaalde voedingsproducten en bloed in de menselijke bloedsomloop. De volgende tabel toont typische voorbeelden van verschillende afschuifsnelheden.