Sechs bewährte Methoden zur präzisen Messung der Flüssigkeitsviskosität

Viskosität ist eine der wichtigsten physikalischen Eigenschaften industrieller Flüssigkeiten, wie Beschichtungen, Farben und Klebstoffe.

Im Wesentlichen gibt Viskosität den Widerstand einer Flüssigkeit gegen Verformung durch Scher- oder Zugspannungen an. Mit anderen Worten, diese Eigenschaft beschreibt die Reibung zwischen den Flüssigkeitsmolekülen, die eine relative Bewegung zwischen Flüssigkeitsschichten, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, entgegenwirkt. Viskosität kann ein Hinweis darauf sein, wie sich eine Flüssigkeit unter einer angewendeten Kraft oder ihrem eigenen Gewicht verhält.

Je viskoser eine Flüssigkeit ist, desto „dicker“ erscheint sie. Beispielsweise haben Öl oder Fett höhere Viskositäten als Wasser und erscheinen daher dicker.

Öl-, Beschichtungs-, Farb- und Klebstoffhersteller sind oft damit beauftragt, die optimale Viskosität ihrer Produkte für spezifische Anwendungen zu bestimmen. (Mehr zu diesem Thema siehe: Service Requirements & Environmental Factors for Coatings.)

Niedrigviskose Flüssigkeiten neigen dazu, leichter zu fließen. Daher kann eine Beschichtung mit einer zu niedrigen Viskosität Laufen und Durchhängen verursachen. Andererseits kann eine Beschichtung mit einer zu hohen Viskosität „steif“ und schwierig aufzutragen sein.

In diesem Artikel betrachten wir den Unterschied zwischen dynamischer und kinematischer Viskosität sowie die verschiedenen Methoden, mit denen sie gemessen werden.

Dynamische Viskosität

Dynamische Viskosität, auch als absolute Viskosität bekannt, ist der Widerstand einer Flüssigkeit gegen Scherfluss aufgrund einer angewendeten externen Kraft. Sie beschreibt die Menge des internen Widerstands, der geboten wird, wenn eine Schicht der Flüssigkeit über eine andere in einer horizontalen Ebene bewegt wird.

Dynamische Viskosität ist besonders nützlich bei der Beschreibung nicht-newtonscher Flüssigkeiten.

Mathematisch kann dynamische Viskosität ausgedrückt werden als:

μ = τ dy / dc = τ/γ

Wo:

• τ = Scherspannung in der Flüssigkeit (N/m²)
• μ = dynamische Viskosität der Flüssigkeit (N·s/m²)
• dc = Einheitsgeschwindigkeit (m/s)
• dy = Einheitsabstand zwischen Schichten (m)
• γ = dc / dy = Scherrate (s⁻¹)

Die SI-Einheit für dynamische Viskosität ist N·s/m² oder Pascal-Sekunde (Pa·s). Eine weitere Maßeinheit für dynamische Viskosität ist Poise (P), wobei ein Poise einem Zehntel N·s/m² oder 0,1 Pa·s entspricht.

Die Poise-Einheit kann manchmal für praktische Zwecke zu groß sein. Aus diesem Grund wird oft die Einheit Centipoise (cP) an ihrer Stelle verwendet. In der Centipoise-Einheit entspricht 1 cP 0,01 P, 0,001 N·s/m² oder 0,001 Pa·s.

Kinematische Viskosität

Kinematische Viskosität ist einfach das Verhältnis der dynamischen Viskosität zur Dichte der Flüssigkeit. Sie spiegelt den Widerstand einer Flüssigkeit gegen Scherfluss unter dem Einfluss der Schwerkraft wider, d. h. Scherfluss aufgrund des eigenen Gewichts der Flüssigkeit.

Diese Viskosität ist besonders nützlich bei der Beschreibung newtonscher Flüssigkeiten. Mathematisch kann kinematische Viskosität ausgedrückt werden als:

ν = μ / ρ

Wo:

• ν = kinematische Viskosität (m²/s)
• μ = absolute oder dynamische Viskosität (N·s/m²)
• ρ = Dichte (kg/m³)

Die SI-Einheit für kinematische Viskosität ist m²/s. Eine weitere Maßeinheit für diese Eigenschaft ist Stokes (St), wobei 1 St = 10⁻⁴ m²/s = 1 cm²/s entspricht.

Wenn der Viskositätswert in Stokes zu groß ist, wird oft die kleinere Einheit Centistokes (cSt) an ihrer Stelle verwendet. In Centistokes entspricht 1 cSt = 10⁻⁶ m²/s = 1 mm²/s.

Wie wird Viskosität gemessen?

Es gibt mehrere verschiedene Methoden, um sowohl dynamische als auch kinematische Viskosität zu messen. Einige der häufigsten Methoden sind:

1. Viskositätsbecher

Viskositätsbecher werden verwendet, um die kinematische Viskosität einer Flüssigkeit zu bestimmen und bestehen typischerweise aus eloxiertem Aluminium mit einer Edelstahldüse. (Mehr zu diesem Thema siehe: Aluminiumkorrosion verstehen.)

Dieser relativ einfache Test beinhaltet das Platzieren der Flüssigkeit in einem Behälter mit einer kleinen Öffnung am Boden. Die Flüssigkeit wird in einer präzisen Menge durch die Öffnung fließen gelassen. Die Zeit, die die Flüssigkeit benötigt, um durch die Öffnung zu passieren, wird gemessen und über die für den jeweiligen Becher gelieferten Tabellen mit der Viskosität korreliert.

Viskositätsbecher werden typischerweise zur Messung der Konsistenz von Farben, Lacken und ähnlichen Produkten verwendet. Eine Tabelle wird dann verwendet, um die Ausflusszeit (in Sekunden) in Viskosität in Centistokes (cSt) umzurechnen.

Ford- und Zahn-Becher sind einige der am häufigsten verwendeten Viskositätsbecher-Varianten. Jedes Becherdesign ist einzigartig; daher muss Vorsicht walten, wenn Viskositätswerte zwischen verschiedenen Bechertypen verglichen werden. Die Werte, die ein Viskositätsbecher liefert, sind absolute Werte und beinhalten nicht die zulässigen Toleranzen – da diese zwischen den einzelnen Standards erheblich variieren.

2. Schwingungsviskosimeter

Schwingungsviskosimeter arbeiten, indem sie einen oszillierenden elektromechanischen Resonator in die Testflüssigkeit eintauchen und den Grad der Dämpfung messen, den die Flüssigkeit bietet. Der Resonator oszilliert allgemein entweder torsional oder transversal und die Dämpfung kann bestimmt werden durch:

• Aufzeichnung der erforderlichen Eingangsleistung, um den Apparat bei konstanter Amplitude schwingen zu lassen
• Messung des Zeitverfalls der Oszillation nach Abschalten der Vibration
• Messung der Frequenz des Resonators in Bezug auf variierende Phasenwinkel

Das Quarzviskosimeter ist ein Beispiel für ein Schwingungsviskosimeter. Mit dieser Methode wird ein oszillierender Quarzkristall in eine Flüssigkeit eingetaucht und der spezifische Einfluss auf das oszillierende Verhalten definiert die Viskosität. Ein elektrisches Feld, das auf den Oszillator angewendet wird, bewirkt, dass sich der Sensor bewegt und die Flüssigkeit schert. (Mehr zu diesem Thema siehe: Korrosion und elektrische Interferenz in vergrabenen metallischen Strukturen.)

Die Bewegung des Sensors wird dann durch die externen Kräfte (die Scherspannung) der Flüssigkeit beeinflusst, was die elektrische Antwort des Sensors beeinflusst.

3. Rotationsviskosimeter

Rotationsviskosimeter funktionieren, indem sie das Drehmoment messen, das erforderlich ist, um ein Objekt in der Testflüssigkeit zu drehen. Hier ist der Ablauf:

1. Eine der Oberflächen ist stationär.
2. Die sich paaren der Oberfläche wird durch einen externen Antrieb rotiert.
3. Flüssigkeit füllt den Raum zwischen den Oberflächen. Das Drehmoment, das erforderlich ist, um eine Scheibe oder einen Zylinder bei einer vorgegebenen Geschwindigkeit zu drehen, wird gemessen und aufgezeichnet.

Das Drehmoment, das die eingestellte Geschwindigkeit aufrechterhält, ist direkt proportional zur Viskosität; daher ist der Apparat in der Lage, Viskosität, Scherspannung und Scherrate auszugeben. Da eine externe Scherkraft auf die Flüssigkeit angewendet wird, messen Rotationsviskosimeter die dynamische Viskosität einer Flüssigkeit.

Becher, Zylinder, Kegel und Platten sind alle Arten von Rotationsviskosimetern. Becher- und Zylinderviskosimeter bestehen aus koaxialen Zylindern unterschiedlicher Durchmesser. Ein Volumen einer zu scherenden Probe wird in einer Testzelle gespeichert; das Drehmoment, das erforderlich ist, um eine bestimmte Drehzahl zu erreichen, wird gemessen und aufgetragen.

Kegel- und Plattenviskosimeter haben ein präzises Drehmomentmessgerät, das als diskrete Drehzahl angetrieben wird. Es verwendet einen schmal gewinkelten Kegel in unmittelbarer Nähe zu einer flachen Platte. Die Viskosität wird aus Scherspannung und Scherrate berechnet. (Mehr zu diesem Thema siehe: Die Auswirkungen von Korrosion auf das Scherverhalten von Materialien.)

4. Kapillarviskosimeter

Das Kapillarviskosimeter ist eine der frühesten bekannten Methoden zur Bestimmung der Flüssigkeitsviskosität.

Diese Methode misst die Zeit, die ein definiertes Volumen Flüssigkeit benötigt, um durch ein U-förmiges Kapillarrohr mit bekanntem Durchmesser und Länge zu fließen. Das Rohr hat normalerweise zwei Markierungen – eine obere und eine untere – die als Messreferenz dienen. Die Zeit, die die Flüssigkeit benötigt, um an diesen Markierungen vorbeizuströmen, ist proportional zur kinematischen Viskosität; daher kann die Viskosität mit Standardformeln bestimmt werden.

Kapillarviskosimeter umfassen Ostwald- und Ubbelohde-Viskosimeter. Beide sind U-förmige Instrumente, haben zwei Glaskolben und verwenden Kapillarrohre. (Mehr dazu, wie Glas Korrosion verhindern kann, siehe: Ein Blick auf Korrosionsbarriere-Auskleidungen für internen Korrosionsschutz.)

Ein großer Vorteil des Ubbelohde-Viskosimeters ist jedoch, dass die damit erzielten Werte unabhängig vom Gesamtvolumen der verwendeten Flüssigkeit sind. Der wesentliche Unterschied zwischen Ostwald- und Ubbelohde-Viskosimetern besteht darin, dass das Ostwald-Viskosimeter für die Messung von Flüssigkeiten mit niedriger bis mittlerer Viskosität geeignet ist, während das Ubbelohde-Viskosimeter für die Messung von Flüssigkeiten mit hoher Viskosität geeignet ist.

5. Fallkugelviskosimeter

Das Fallkugelviskosimeter wird verwendet, um die dynamische Viskosität transparenter newtonscher Flüssigkeiten zu bestimmen.

Das Konzept beinhaltet die Messung der Zeit, die eine Kugel mit bekannter Dichte benötigt, um durch ein probengefülltes Rohr unter Schwerkraft zu fallen. Das Rohr ist normalerweise auf einem Apparat montiert, der sich schnell um 180 Grad drehen kann, um Wiederholungstests zu ermöglichen. Die durchschnittliche Zeit von drei Tests wird aufgezeichnet und in einer Umrechnungsformel verwendet, um die Viskosität der Probe zu bestimmen.

Fallkugelviskosimeter werden für Qualitätskontrolle in verschiedenen Branchen sowie in akademischen Einrichtungen zur Veranschaulichung wissenschaftlicher Methoden verwendet. Die einfache Handhabung und die unkomplizierte Methode zur Aufzeichnung von Zeitmessungen gewährleisten aussagekräftige Testergebnisse.

6. Konsistometer

Ein Konsistometer ist ein Apparat, der aus einem Metallrinne mit einem kleinen, hinter einer federbelasteten Klappe verbarrikadierten Abschnitt besteht. So funktioniert es:

1. Die zu testende Probe wird hinter die federbelastete Klappe gelegt.
2. Die Klappe wird angehoben, sodass die Probe frei unter ihrem eigenen Gewicht fließen kann.
3. Die Strecke, die die Flüssigkeit in einer bestimmten Zeit zurücklegt, wird über die Gradierungen des Apparats gemessen.

Der Konsistometer misst nicht direkt Viskositätswerte; er ermöglicht es Benutzern stattdessen, ihre eigenen Standards spezifisch für die getesteten Produkte zu entwickeln. Diese Methode ist in der Lebensmittelindustrie beliebter und wird typischerweise verwendet, um die Viskosität von Produkten wie Ketchup, Mayonnaise, Konserven, Füllungen, Suppen, Babynahrung und Salatdressings zu messen. (Mehr zur Lebensmittelindustrie siehe: Die Korrosionseigenschaften von Aluminium und seinen Legierungen.)

Faktoren, die die Viskosität beeinflussen

Es gibt verschiedene Faktoren, von denen die Flüssigkeitsviskosität abhängt. Diese sind:

• Flüssigkeitstemperatur. Normalerweise nimmt die Viskosität einer Flüssigkeit mit steigender Temperatur ab. Die Viskosität eines Gases nimmt jedoch normalerweise mit steigender Temperatur zu.
• Strömungsbedingungen. Bei laminarer Strömung bleibt die Viskosität einer Flüssigkeit konstant; bei turbulenter Strömung ändert sich die Viskosität.
• Druck. Wenn der Druck steigt, nimmt die Viskosität eines Gases normalerweise zu. Bei Flüssigkeiten hat der Druck aufgrund ihrer Inkompressibilität nicht viel Einfluss.
• Mehrphasenströmung. Die Viskosität der Mehrphasenströmung wird durch das Volumen jeder Phase verändert.
• Schwebeteilchen. Schwebestoffe führen zu einer Erhöhung der Viskosität.

Newtonsches Viskositätsgesetz

Die Beziehung zwischen der Scherspannung und der Scherrate einer Flüssigkeit unter mechanischer Belastung wird durch das Newtonsche Viskositätsgesetz geregelt.

Das Newtonsche Viskositätsgesetz besagt, dass für eine gegebene Temperatur und Druck die Scherspannung zwischen zwei angrenzenden Schichten in einer Flüssigkeit proportional zu den Geschwindigkeitsgradienten zwischen diesen Schichten ist. Anders ausgedrückt: Das Verhältnis von Scherspannung zu Scherrate in einer Flüssigkeit ist eine Konstante und ist der Viskositätskoeffizient.

Das Newtonsche Viskositätsgesetz gilt jedoch nur für newtonsche Flüssigkeiten. Nicht-newtonsche Flüssigkeiten folgen dem Newtonschen Viskositätsgesetz nicht; daher ändert sich ihre Viskosität und hängt von der Scherrate ab.

Fazit

Viskosität ist eine wichtige Flüssigkeitseigenschaft, die für eine Vielzahl von Produkten in verschiedenen Branchen essenziell ist.

Dynamische und kinematische Viskositäten beschreiben unterschiedliche Eigenschaften und können sehr unterschiedliche Ergebnisse liefern, wenn Flüssigkeiten getestet werden. Es ist daher wichtig, den Unterschied zwischen Viskositätstypen zu verstehen und geeignete Testmechanismen für die jeweilige Probe zu wählen.