Wie misst man mit einem Viskosimeter die Viskosität einer Flüssigkeit unter verschiedenen Scherbeanspruchungen?

Hallo! Als Lieferant von Viskosimetern werde ich oft gefragt, wie man mit einem Viskosimeter die Viskosität einer Flüssigkeit unter verschiedenen Scherbelastungen messen kann. Dies ist ein entscheidendes Thema, insbesondere für Branchen wie die Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmaindustrie, wo die Fließeigenschaften von Flüssigkeiten die Produktqualität erheblich beeinflussen können. In diesem Blog begleite ich Sie Schritt für Schritt durch den Prozess und gebe Ihnen dabei einige Tipps und Tricks.

Was ist Viskosität und Scherspannung?

Bevor wir uns mit dem Messprozess befassen, gehen wir kurz auf Viskosität und Scherspannung ein. Die Viskosität ist ein Maß für den Strömungswiderstand einer Flüssigkeit. Stellen Sie sich vor, wie „dick“ oder „dünn“ eine Flüssigkeit ist. Honig hat beispielsweise eine hohe Viskosität, weil er langsam fließt, während Wasser eine niedrige Viskosität hat und leicht fließt.

Scherspannung hingegen ist die Kraft pro Flächeneinheit, die dazu führt, dass sich eine Flüssigkeit verformt oder fließt. Wenn Sie eine Flüssigkeit umrühren, üben Sie eine Scherbeanspruchung auf sie aus. Die Beziehung zwischen Scherspannung und der daraus resultierenden Verformungsgeschwindigkeit (Schergeschwindigkeit) bestimmt die Viskosität einer Flüssigkeit.

Warum die Viskosität unter verschiedenen Scherspannungen messen?

Viele Flüssigkeiten, insbesondere nicht-Newtonsche Flüssigkeiten, haben Viskositäten, die sich je nach ausgeübter Scherbeanspruchung ändern. Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten können in verschiedene Typen eingeteilt werden, z. B. scherverdünnende (Viskosität nimmt mit zunehmender Scherbeanspruchung ab), scherverdickende (Viskosität nimmt mit zunehmender Scherbeanspruchung zu) und viskoelastische (weisen sowohl elastische als auch viskose Eigenschaften auf).

Die Messung der Viskosität unter verschiedenen Scherbeanspruchungen hilft uns zu verstehen, wie sich eine Flüssigkeit in verschiedenen realen Situationen verhält. Beispielsweise kann in einem Herstellungsprozess, bei dem eine Flüssigkeit durch Rohre gepumpt oder in einem Tank gemischt wird, die Scherspannung variieren. Durch die Kenntnis der Viskosität bei unterschiedlichen Scherbeanspruchungen können wir den Prozess optimieren und eine gleichbleibende Produktqualität sicherstellen.

Auswahl des richtigen Viskosimeters

Es gibt verschiedene Arten von Viskosimetern, aber zur Messung der Viskosität unter unterschiedlichen Scherbeanspruchungen, zRotationsviskosimeterist oft die beste Wahl. Bei einem Rotationsviskosimeter wird eine Spindel oder ein Körper in der Flüssigkeit rotiert und das zur Aufrechterhaltung der Rotation erforderliche Drehmoment gemessen. Das Drehmoment hängt von der Scherspannung ab, und die Drehzahl hängt von der Schergeschwindigkeit ab.

Berücksichtigen Sie bei der Auswahl eines Rotationsviskosimeters Faktoren wie den Bereich der zu messenden Viskositäten, die erforderliche Genauigkeit und die Art der zu testenden Proben. Einige Viskosimeter verfügen außerdem über zusätzliche Funktionen wie die Temperaturregelung, die wichtig sein können, da die Viskosität stark von der Temperatur abhängt.

Einrichten des Viskosimeters

Sobald Sie das richtige Viskosimeter ausgewählt haben, ist es an der Zeit, es einzurichten. Hier sind die allgemeinen Schritte:

1. Kalibrierung: Bevor Sie das Viskosimeter verwenden, müssen Sie es unbedingt kalibrieren. Dadurch wird sichergestellt, dass die Messungen genau sind. Die meisten Viskosimeter werden mit Kalibrierflüssigkeiten bekannter Viskosität geliefert. Befolgen Sie die Anweisungen des Herstellers, um die Kalibrierung durchzuführen.
2. Wählen Sie die Spindel aus: Die Wahl der Spindel hängt von der Viskosität der Flüssigkeit und dem Bereich der Scherspannungen ab, die Sie anwenden möchten. Für Flüssigkeiten mit hoher Viskosität kann eine größere Spindel erforderlich sein, während für Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität normalerweise eine kleinere Spindel ausreichend ist.
3. Bereiten Sie die Probe vor: Stellen Sie sicher, dass die Probe homogen ist und die gewünschte Temperatur hat. Verwenden Sie bei Bedarf ein temperiertes Bad, um während der Messung eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten.
4. Installieren Sie die Spindel: Installieren Sie die ausgewählte Spindel vorsichtig am Viskosimeter. Stellen Sie sicher, dass es richtig ausgerichtet und befestigt ist.

Messung der Viskosität unter verschiedenen Scherspannungen

Nachdem das Viskosimeter nun eingerichtet ist, können Sie mit der Messung der Viskosität unter verschiedenen Scherbeanspruchungen beginnen. So geht's:

1. Legen Sie die Anfangsbedingungen fest: Stellen Sie die anfängliche Drehzahl der Spindel ein. Dadurch werden die anfängliche Schergeschwindigkeit und die Scherspannung bestimmt. Beginnen Sie mit einer niedrigen Geschwindigkeit und steigern Sie diese schrittweise.
2. Nehmen Sie Messungen vor: Sobald die Spindel eine stabile Rotation erreicht hat, führen Sie eine Viskositätsmessung durch. Die meisten Viskosimeter zeigen die Viskosität direkt auf dem Bildschirm an. Notieren Sie den Viskositätswert zusammen mit der entsprechenden Rotationsgeschwindigkeit (Schergeschwindigkeit) und der berechneten Scherspannung.
3. Ändern Sie die Scherspannung: Erhöhen Sie die Drehzahl der Spindel, um eine höhere Scherspannung auszuüben. Warten Sie, bis das System einen neuen stabilen Zustand erreicht hat, bevor Sie eine weitere Messung durchführen. Wiederholen Sie diesen Vorgang für mehrere unterschiedliche Drehzahlen, um verschiedene Viskositätswerte bei unterschiedlichen Scherspannungen zu erhalten.

Analyse der Ergebnisse

Nach der Durchführung der Messungen ist es an der Zeit, die Ergebnisse zu analysieren. Zeichnen Sie ein Diagramm der Viskosität gegenüber der Scherspannung oder der Schergeschwindigkeit. Dieses als Strömungskurve bezeichnete Diagramm kann wertvolle Informationen über das Verhalten der Flüssigkeit liefern.

• Newtonsche Flüssigkeiten: Bei Newtonschen Flüssigkeiten bleibt die Viskosität unabhängig von der Scherspannung konstant. Die Fließkurve ist eine horizontale Linie.
• Scherverdünnende Flüssigkeiten: Bei strukturviskosen Flüssigkeiten nimmt die Viskosität mit zunehmender Scherspannung ab. Die Fließkurve weist einen Abwärtstrend auf.
• Scherung - Verdickungsflüssigkeiten: Scherverdickende Flüssigkeiten haben mit zunehmender Scherbeanspruchung eine zunehmende Viskosität. Die Strömungskurve weist eine Steigung auf.

Durch die Analyse der Fließkurve können Sie die Art der Flüssigkeit und ihre Fließeigenschaften bestimmen. Diese Informationen können verwendet werden, um Prozesse zu optimieren, Produkte zu formulieren und etwaige flussbezogene Probleme zu beheben.

Tipps und Tricks

Hier sind einige Tipps, um genaue und zuverlässige Viskositätsmessungen sicherzustellen:

• Temperaturkontrolle: Wie bereits erwähnt, ist die Viskosität stark temperaturabhängig. Achten Sie darauf, die Temperatur der Probe während des gesamten Messvorgangs zu kontrollieren. Schon eine kleine Temperaturänderung kann die Viskosität erheblich beeinflussen.
• Probenvolumen: Verwenden Sie das richtige Probenvolumen, das vom Hersteller des Viskosimeters empfohlen wird. Ein unzureichendes Probenvolumen kann zu ungenauen Messungen führen, insbesondere wenn die Spindel nicht vollständig in die Flüssigkeit eingetaucht ist.
• Reinigung: Reinigen Sie die Spindel nach jeder Messung gründlich, um eventuelle Probenrückstände zu entfernen. Dies verhindert Kreuzkontaminationen und gewährleistet genaue Ergebnisse für die nächste Messung.
• Mehrere Messungen: Führen Sie bei jeder Scherbeanspruchung mehrere Messungen durch, um die Konsistenz sicherzustellen. Berechnen Sie den durchschnittlichen Viskositätswert, um den Fehler zu reduzieren.

Abschluss

Die Messung der Viskosität einer Flüssigkeit unter verschiedenen Scherspannungen mit einem Viskosimeter ist eine wertvolle Technik zum Verständnis der Fließeigenschaften von Flüssigkeiten. Wenn Sie die in diesem Blog beschriebenen Schritte befolgen, können Sie genaue und zuverlässige Viskositätsmessungen erhalten und Erkenntnisse darüber gewinnen, wie sich die Flüssigkeit in verschiedenen realen Situationen verhält.

Wenn Sie auf der Suche nach einem Viskosimeter sind oder weitere Informationen zur Viskositätsmessung benötigen, zögern Sie nicht, uns zu kontaktieren. Wir sind hier, um Ihnen zu helfen, die richtige Lösung für Ihre spezifischen Bedürfnisse zu finden. Ganz gleich, ob Sie ein kleines Labor oder eine große Produktionsanlage betreiben, wir verfügen über das Fachwissen und die Produkte, um Ihre Anforderungen an die Viskositätsmessung zu erfüllen. Kontaktieren Sie uns noch heute, um ein Beschaffungsgespräch zu beginnen und Ihre Flüssigkeitsanalyse auf die nächste Stufe zu heben.

Referenzen

• ASTM D2196 – 18, Standardtestmethoden für rheologische Eigenschaften nicht-newtonscher Materialien mittels Rotationsviskosimeter.
• Barnes, HA, Hutton, JF und Walters, K. (1989). Eine Einführung in die Rheologie. Elsevier-Wissenschaft.