Шесть проверенных методов точного измерения вязкости жидкостей

Вязкость — одно из самых важных физических свойств промышленных жидкостей, таких как покрытия, краски и клеи.

По сути, вязкость указывает сопротивление жидкости деформации сдвиговыми или тяговыми напряжениями. Иными словами, это свойство описывает трение между молекулами жидкости, вызывающее противодействие относительному движению слоев жидкости, движущихся с разными скоростями. Вязкость может быть подсказкой о том, как жидкость поведет себя под приложенной силой или под собственным весом.

Чем более вязка жидкость, тем «гуще» она кажется. Например, масло или смазка имеют более высокую вязкость, чем вода, и поэтому кажутся гуще.

Производители масел, покрытий, красок и клеев часто сталкиваются с задачей определения оптимальной вязкости продуктов для конкретных применений. (Подробнее: Требования к эксплуатации и экологические факторы для покрытий.)

Низковязкие жидкости текут легче. Поэтому покрытие с слишком низкой вязкостью может вызывать текучесть и провисание. С другой стороны, покрытие с слишком высокой вязкостью может быть «жестким» и трудным для нанесения.

В статье рассмотрим разницу между динамической и кинематической вязкостью, а также различные методы их измерения.

Динамическая вязкость

Динамическая вязкость, также известная как абсолютная вязкость, — сопротивление жидкости сдвиговому течению из-за приложенной внешней силы. Описывает количество внутреннего сопротивления, когда один слой жидкости движется над другим в горизонтальной плоскости.

Динамическая вязкость особенно полезна для описания неньютоновских жидкостей.

Математически динамическая вязкость выражается как:

μ = τ dy / dc = τ/γ

Где:

• τ = сдвиговое напряжение в жидкости (Н/м²).
• μ = динамическая вязкость жидкости (Н·с/м²).
• dc = единичная скорость (м/с).
• dy = единичное расстояние между слоями (м).
• γ = dc / dy = скорость сдвига (с⁻¹).

Единица СИ для динамической вязкости — Н·с/м² или Паскаль-секунда (Па·с). Другая единица — пуаз (P), где 1 пуаз = 0,1 Н·с/м² = 0,1 Па·с.

Единица пуаз иногда слишком велика для практических целей. Поэтому часто используют центипуаз (cP): 1 cP = 0,01 P = 0,001 Н·с/м² = 0,001 Па·с.

Кинематическая вязкость

Кинематическая вязкость — отношение динамической вязкости к плотности жидкости. Отражает сопротивление жидкости сдвиговому течению под действием гравитации, то есть сдвиговому течению из-за собственного веса жидкости.

Эта вязкость особенно полезна для описания ньютоновских жидкостей. Математически:

ν = μ / ρ

Где:

• ν = кинематическая вязкость (м²/с).
• μ = абсолютная или динамическая вязкость (Н·с/м²).
• ρ = плотность (кг/м³).

Единица СИ — м²/с. Другая единица — стокс (St): 1 St = 10⁻⁴ м²/с = 1 см²/с.

Если значение в стоксах слишком велико, используют центистокс (cSt): 1 cSt = 10⁻⁶ м²/с = 1 мм²/с.

Как измеряется вязкость?

Существует несколько методов измерения динамической и кинематической вязкости. Наиболее распространенные:

1. Вязкостные стаканы (Viscosity Cups)

Используются для определения кинематической вязкости, обычно изготовлены из анодированного алюминия с нержавеющим отверстием. (Подробнее: Понимание коррозии алюминия.)

Простой тест: жидкость помещается в контейнер с небольшим отверстием на дне. Жидкость течет через отверстие в точном количестве. Время прохождения измеряется и коррелируется с вязкостью через графики для данного стакана.

Вязкостные стаканы обычно используются для измерения консистенции красок, лаков и подобных продуктов. Таблица конвертирует время вытечения (в секундах) в вязкость в центистоках (cSt).

Стаканы Форда и Захна — наиболее распространенные виды. Каждый дизайн уникален; при сравнении значений между разными типами стаканов нужна осторожность. Значения, даваемые стаканом, — абсолютные и не включают допуски, так как они значительно отличаются между стандартами.

2. Вибрационные вязкостемеры

Работают путем погружения осциллирующего электромеханического резонатора в тестовую жидкость и измерения степени демпфирования, которую жидкость оказывает. Резонатор обычно осциллирует торационально или поперечно, демпфирование определяется:

• Регистрацией входной мощности для поддержания постоянной амплитуды.
• Измерением затухания осцилляции после выключения вибрации.
• Измерением частоты резонатора относительно 변하는 фазовых углов.

Кварцевый вязкостемер — пример. Осциллирующий кварцевый кристалл погружается в жидкость, специфическое влияние на осцилляторное поведение определяет вязкость. Электрическое поле, приложенное к осциллятору, заставляет датчик двигаться и приводит к сдвигу жидкости. (Подробнее: Коррозия и электрические помехи в зарытых металлических структурах.)

Движение датчика затем влияется внешними силами (сдвиговыми напряжениями) жидкости, что влияет на электрический ответ датчика.

3. Ротационные вязкостемеры

Работают путем измерения крутящего момента, необходимого для вращения объекта в тестовой жидкости. Процесс:

1. Одна поверхность неподвижна.
2. Сопряженная поверхность вращается внешним приводом.
3. Жидкость заполняет пространство между поверхностями. Крутящий момент для вращения диска или шара с заданной скоростью измеряется и записывается.

Крутящий момент, поддерживающий заданную скорость, прямо пропорционален вязкости; поэтому прибор способен выдавать вязкость, сдвиговое напряжение и скорость сдвига. Поскольку внешняя сдвиговая сила приложена к жидкости, ротационные вязкостемеры измеряют динамическую вязкость.

Стаканы, шары, конусы и пластины — типы ротационных вязкостемеров. Стакан-шар состоит из коаксиальных цилиндров разного диаметра. Объем пробы для сдвига хранится в тестовой ячейке; измеряется крутящий момент для достижения определенной скорости вращения и строится график.

Конус-пластина имеет точный крутящий моментный привод с дискретной скоростью вращения. Использует узкоугольный конус вблизи плоской пластины. Вязкость вычисляется из сдвигового напряжения и скорости сдвига. (Подробнее: Влияние коррозии на сдвиговое поведение материалов.)

4. Капиллярные вязкостемеры

Один из старейших методов определения вязкости жидкости.

Измеряет время, за которое определенный объем жидкости течет через U-образную капиллярную трубку известного диаметра и длины. Трубка обычно имеет две метки — верхнюю и нижнюю — как референс. Время прохождения жидкости мимо меток пропорционально кинематической вязкости; вязкость определяется стандартными формулами.

Капиллярные вязкостемеры включают Оствальд и Уббелохде. Оба U-образные, имеют два стеклянных пузырька и используют капиллярные трубки. (Подробнее о том, как стекло предотвращает коррозию: Взгляд на барьерные внутренние покрытия для защиты от внутренней коррозии.)

Главное преимущество вязкостемера Уббелохде — получаемые значения независимы от общего объема жидкости. Ключевое различие: вязкостемер Оствальд подходит для низко- и средневязких жидкостей, Уббелохде — для высоковязких.

5. Вязкостемеры с падающей сферой

Используются для определения динамической вязкости прозрачных ньютоновских жидкостей.

Концепция: измерение времени, за которое сфера известной плотности падает через трубку, заполненную пробой, под действием гравитации. Трубка обычно установлена на аппарате, способном быстро вращаться на 180° для повторных тестов. Среднее время трех тестов записывается и используется в формуле конвертации для определения вязкости пробы.

Вязкостемеры с падающей сферой используются для контроля качества в различных отраслях и в академических учреждениях для иллюстрации научного метода. Простота использования и прямой метод записи времени обеспечивают значимые результаты.

6. Консистометры

Консистометр — аппарат, представляющий металлический желоб с малой секцией, заваленной пружинными воротами. Принцип:

1. Проба помещается за пружинные ворота.
2. Ворота поднимаются, позволяя пробе свободно течь под собственным весом.
3. Расстояние, которое жидкость течет за конкретное время, измеряется через градуировку аппарата.

Консистометр не измеряет значения вязкости напрямую; вместо этого позволяет пользователям разрабатывать свои стандарты для тестируемых продуктов. Метод популярен в пищевой отрасли для измерения вязкости продуктов: кетчуп, майонез, консервы, начинки, супы, детское питание, салатные заправки. (Подробнее о пищевой отрасли: Коррозионные свойства алюминия и его сплавов.)

Факторы, влияющие на вязкость

Различные факторы, от которых зависит вязкость жидкости:

• Температура жидкости. Обычно вязкость жидкости снижается с повышением температуры. Однако вязкость газа обычно повышается с повышением температуры.
• Условия течения. Для ламинарного течения вязкость жидкости остается постоянной; для турбулентного — меняется.
• Давление. При повышении давления вязкость газа обычно растет. Для жидкостей, по причине несжимаемости, давление не оказывает большого влияния.
• Многофазное течение. Вязкость меняется объемом каждой фазы.
• Взвешенные частицы. Взвешенные материалы приводят к увеличению вязкости.

Закон вязкости Ньютона

Отношение между сдвиговым напряжением и скоростью сдвига жидкости под механическим напряжением регулируется законом вязкости Ньютона.

Закон гласит: для заданной температуры и давления сдвиговое напряжение между двумя соседними слоями в жидкости пропорционально градиентам скоростей между этими слоями. Иначе: отношение сдвигового напряжения к скорости сдвига в жидкости — постоянная, коэффициент вязкости.

Однако закон Ньютона применим только к ньютоновским жидкостям. Неньютоновские жидкости не следуют закону; их вязкость меняется и зависит от скорости сдвига.

Заключение

Вязкость — важное свойство жидкости, существенное для множества продуктов в различных отраслях.

Динамическая и кинематическая вязкость описывают разные свойства и могут давать очень разные результаты при тестировании жидкостей. Поэтому важно понимать разницу между типами вязкости и выбирать соответствующие тестовые механизмы для конкретной пробы.