Wie wählt man ein Viskosimeter aus?

Fluide lassen sich anhand grundlegender Kategorien in Newtonsche und nicht-Newtonsche Fluide einteilen. Nicht-Newtonsche Fluide werden weiter in scherratenabhängige und zeitabhängige Fluide unterteilt. Scherratenabhängige Fluide beschreiben das Fließverhalten, das sich mit der Scherrate ändert. Beispiele hierfür sind pseudoplastische, dilatante und plastische Fluide. Zeitabhängige Fluide hingegen beschreiben das Fließverhalten, das sich bei einer bestimmten Scherrate mit der Zeit ändert. Beispiele hierfür sind thixotrope Fluide und Stoßkoagulationsfluide.

Der Wissenschaftler Newton entdeckte, dass das Verhältnis von Scherspannung τ zu Schergeschwindigkeit D bei bestimmten Flüssigkeiten konstant ist: η = τ/D. Wasser und Öl sind Flüssigkeiten, die dieser Regel folgen. Diese Formel ist das Newtonsche Viskositätsgesetz, wobei η die Viskosität der Flüssigkeit ist. Viskosität ist ein Maß für die innere Reibung oder den Strömungswiderstand einer Flüssigkeit. Die Einheit von η ist mPa·s oder Pa·s (Pascal-Sekunden). Eine Newtonsche Flüssigkeit ist ein Gemisch aus einer einzigen Flüssigkeit ohne Partikel. Eine Flüssigkeit, deren Viskosität sich mit der Scherspannung nicht ändert, wird als Newtonsche Flüssigkeit bezeichnet, während eine Flüssigkeit, deren Viskosität sich mit der Scherspannung ändert, als nicht-Newtonsche Flüssigkeit bezeichnet wird.

Daher ist der Viskositätswert für Newtonsche Flüssigkeiten bei Verwendung eines digitalen Rotationsviskosimeters eindeutig. Solange der Viskositätswert innerhalb des zulässigen Messbereichs (Drehmoment 20–90 %) liegt, kann durch die Wahl eines anderen Rotors und einer anderen Drehzahl dasselbe Ergebnis erzielt werden. Unser digitales Viskosimeter stabilisiert den Messwert in der Regel nach 5–6 Umdrehungen des Rotors (z. B. Standardrotor L1–L4). Bei einer gewählten Drehzahl von beispielsweise 30 Umdrehungen pro Minute (eine Umdrehung in 2 Sekunden) dauert die Messung etwa 10–12 Sekunden. Der vom Viskositätsmessgerät angegebene Messbereich bezieht sich auf die Viskosität Newtonscher Flüssigkeiten.

Viskositätsmessgerät

Bei nicht-Newtonschen Flüssigkeiten ist der Viskositätswert jedoch nicht festgelegt, da die durch verschiedene Rotoren und Drehzahlen erzeugte Scherrate unterschiedlich ist. Daher können folgende Phänomene auftreten:

1. Nach Auswahl eines bestimmten Rotors und einer bestimmten Drehzahl ändert sich der Viskositätswert rapide von groß auf klein und stabilisiert sich dann allmählich (die Stabilität bezieht sich auf die Änderung des gemessenen Drehmomentwerts jedes Mal zwischen 0,1 % und 0,2 %). Aufgrund der sehr hohen Viskosität des Viskosimeters ist häufig zu beobachten, dass der Viskositätswert nach längerer Messzeit weiter abnimmt, wobei die Abnahme immer geringer wird, was den Eigenschaften nicht-Newtonscher Flüssigkeiten entspricht.

2. Nach Auswahl eines bestimmten Rotors und einer bestimmten Drehzahl steigt der Viskositätswert rasch von klein auf klein an und stabilisiert sich dann allmählich.

3. Der Viskositätswert ist unterschiedlich, wenn der gleiche Rotor, aber unterschiedliche Drehzahlen verwendet werden.

4. Die Viskositätswerte variieren je nach Rotortyp und Drehzahl. Daher müssen für die Messung nicht-newtonscher Flüssigkeiten Rotor, Drehzahl und Messzeit festgelegt werden. Nur bei festgelegten Parametern sind Vergleiche möglich. Üblicherweise werden diese Parameter vom Anwender anhand seiner spezifischen Anforderungen experimentell bestimmt. Rotor und Drehzahl sollten so gewählt werden, dass die gemessene Viskosität innerhalb des zulässigen Messbereichs liegt (Drehmoment: 20–90 %). Die Messzeit wird vom Beginn bis zum Ende der Drehmomentänderung (0,1–0,2 %) festgelegt. Beispiel: Für eine bestimmte Probe wird der Rotor Nr. L4 bei 30 U/min verwendet. Nach 5 Minuten ist die Viskosität stabil (Drehmomentänderung: 0,1–0,2 %). Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Viskosität 10.000 mPa·s und das Drehmoment 50 %. Wenn Sie dann in Zukunft ähnliche Proben vergleichen müssen, unter den gleichen Messbedingungen, d. h. dem L4-Rotor, 30 Umdrehungen pro Minute und 5 Minuten Messzeit.

Darüber hinaus ist der Einfluss der Temperatur auf die Viskosität ebenfalls sehr groß; die Temperaturkontrolle ähnlicher Proben muss verbessert werden.