Die Viskosität ist eine zentrale Eigenschaft, die das Fließverhalten von Flüssigkeiten beschreibt und daher für das Verständnis und die Vorhersage des Fluidverhaltens in verschiedenen Anwendungen unerlässlich ist. Zahlreiche Branchen sind auf Viskositätsmessungen für die Qualitätskontrolle, Forschung und Entwicklung sowie Prozessoptimierung angewiesen.
Beispiele für Situationen, in denen die Viskosität bewertet werden sollte, sind die folgenden:
Bewertung der Streichfähigkeit von Pasten und der Textur von Soßen in der Lebensmittelindustrie.
Messung der Durchflussrate von Medikamenten durch Spritzen in der Pharmaindustrie.
Sicherstellung einer gleichmäßigen Auftragung und Absorption von Cremes in der Kosmetikindustrie.
Optimierung der Schmierstoffeffizienz und des Kraftstoffflusses in Motoren der Automobilindustrie.
Bestimmung der Prozessverarbeitbarkeit von Farben und Beschichtungen beim Durchströmen von Sprühdüsen.
Optimierung von Polymerprozessen wie Extrusion und Formgebung in der Fertigungsindustrie.
Die Viskosität reagiert sehr empfindlich auf Temperaturänderungen. Weitere wesentliche Einflussfaktoren sind die Stoffzusammensetzung, mögliche Additive und Verunreinigungen, die Molekülgröße, der Druck, die Form sowie intermolekulare Kräfte. Je nach Fluidtyp kann die Viskosität durch äußere Kräfte wie Scherspannung beeinflusst werden oder auch nicht.
Verschiedene Arten der Viskosität
Viskosität kann auf verschiedene Arten definiert und gemessen werden. Die zwei wichtigsten Arten der Viskosität sind die folgenden:
Dynamische Viskosität misst den Widerstand einer Flüssigkeit gegenüber dem Fließen, wenn eine externe Kraft angewendet wird.
Kinematische Viskosität ist das Verhältnis der dynamischen Viskosität zur Dichte und beschreibt den Widerstand einer Flüssigkeit gegenüber dem Fließen unter dem Einfluss ihres eigenen Gewichts oder der Schwerkraft.
Für newtonsche Fluide, die unabhängig von der aufgebrachten Kraft eine konstante Viskosität aufweisen, wird die kinematische Viskosität verwendet. Die Messung ist bei Produkten wie Schmieröle, Glycerin und Benzin häufig unerlässlich, um Viskositätsänderungen bei unterschiedlichen Temperaturen und Umgebungsbedingungen zu bestimmen.
Die dynamische Viskosität ist besonders wertvoll für das Verständnis des Verhaltens von nicht-newtonschen Fluiden, die Eigenschaften aufweisen, die sich mit der aufgebrachten Kraft oder dem Druck verändern. Ihre Viskosität kann sich beispielsweise als Reaktion auf Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit oder der Spannung verändern.
Messtechniken
Zur Bestimmung der Fließeigenschaften von Flüssigkeiten können verschiedene Viskosimeter-Konfigurationen eingesetzt werden. Im Folgenden sind Beispiele für die Viskosimetrie-Dienstleistungen von Measurlabs und die jeweils geeigneten Probenarten aufgeführt.
Kapillarviskosimetrie
Kapillarviskosimeter nutzen die Schwerkraft und werden daher zur Bestimmung der kinematischen Viskosität ideal viskoser, newtonscher Flüssigkeiten eingesetzt. Sie bestehen in der Regel aus Glas und sind in verschiedenen Varianten einer U-förmigen Geometrie erhältlich. Zu den gängigsten Typen von Glaskapillarviskosimetern gehören Ostwald-, Ubbelohde- und Cannon-Fenske-Viskosimeter.
Während der Messung fließt eine bekannte Menge Flüssigkeit durch eine Kapillare mit bekannten Abmessungen, und die Zeit, die die Flüssigkeit benötigt, um von einem Ende zum anderen zu gelangen, wird gemessen.
Glaskapillaren sollten nur zur Messung der kinematischen Viskosität von Flüssigkeiten mit idealviskosem Verhalten verwendet werden, wie Mineralöle, Petrochemikalien und verdünnte Polymerlösungen. Die Hochdruck-Kapillarviskosimetrie kann zur Analyse hochviskoser Flüssigkeiten wie Dichtungsmassen, Klebstoffe und Polymerschmelzen eingesetzt werden.
Rotationsviskosimetrie
Rotationsviskosimeter sind mit einem Motorsystem ausgestattet und können daher mit höheren Kräften als der Schwerkraft arbeiten, was die Analyse von Substanzen mit hochviskosem Verhalten ermöglicht. Sie eignen sich gut zur Messung der Viskosität einer Vielzahl verschiedener Probentypen, darunter Öle, Farben, Harze und verschiedene Lebensmittel. Rotationsviskosimeter bestimmen die dynamische Viskosität einer Flüssigkeit, indem sie deren Fließwiderstand unter einer aufgebrachten Kraft messen.
Bei einer typischen rotationsviskosimetrischen Messung wird ein rotierender Spindel in einen Becher mit der Probenflüssigkeit eingetaucht, und das Gerät misst das Drehmoment, das durch den Strömungswiderstand der Probe gegenüber der vorgegebenen Rotationsgeschwindigkeit entsteht. Der Widerstand, dem die Spindel bei ihrer Rotation begegnet, wird zur Bestimmung der Viskosität der Flüssigkeit herangezogen.
Rotationsviskosimeter-Spindeln sind in verschiedenen Geometrien erhältlich, z. B. als Zylinder, Scheiben, Becher und T-Balken. Das Stabinger-Viskosimeter ist ein Beispiel für ein Rotationsviskosimeter mit Zylindergeometrie. Es kann für simultane Dichte- und Dynamikviskositätsmessungen eingesetzt werden, die zur automatischen Berechnung der kinematischen Viskosität verwendet werden.
Rotationsrheometrie
Rotationsrheometer bieten ein umfassendes Verständnis des Fließverhaltens von Materialien und sollten eingesetzt werden, wenn detaillierte Informationen über rheologische Eigenschaften erforderlich sind. Neben der Viskosität liefern Rotationsrheometer Informationen zu Parametern wie Elastizität und Scherspannung.
Die drei am häufigsten verwendeten Geometrien in der Rotationsrheometrie sind:
Kegel und Platte, die generell für alle Flüssigkeitsarten geeignet sind, sofern die Partikelgröße suspendierter Partikel nicht zu groß ist.
Parallelplatten, geeignet für Pasten, weiche Feststoffe, Gele und Polymerschmelzen.
Konzentrische Zylinder, die für flüssige Proben geeignet sind.
Viskositätsprüfnormen
Die Verwendung weithin anerkannter Industriestandards verbessert die Vergleichbarkeit von Viskositätstestergebnissen. Im Folgenden sind Beispiele gängiger standardisierter Messverfahren aufgeführt:
DIN 51659-2 zur Bestimmung der kinematischen Viskosität von Ölen mit einem Stabinger-Viskosimeter
ISO 2909 zur Berechnung des Viskositätsindex von Erdölprodukten
ISO 1628 zur Bestimmung der Viskosität von Polymerlösungen mithilfe eines Kapillarviskosimeters. Verschiedene Teile der Norm legen die Bedingungen (Lösungsmittel, Temperaturen usw.) für die Prüfung verschiedener Polymere fest.
ISO 5351 zur Bestimmung der Grenzviskositätszahl von Zellstofflösungen
ISO 3104 und ASTM D445 (entsprechende Methoden) zur Bestimmung der kinematischen und dynamischen Viskosität von Erdölprodukten
Measurlabs bietet Viskositätstestdienstleistungen für eine Vielzahl von Materialien mit standardisierten und maßgeschneiderten Methoden an. Zögern Sie nicht, unsere Experten über das untenstehende Formular für weitere Informationen zu kontaktieren.