Что измеряют, когда говорят об измерении вязкости
Вязкость — это внутреннее трение жидкости. Если сдвигать один слой относительно другого, между слоями возникает сила сопротивления, и чем она больше при одной и той же скорости сдвига, тем жидкость вязче. Вода течёт легко, глицерин и мёд — медленно, битум при комнатной температуре почти не течёт. Для воды вязкость при 20 °C около 1 мПа·с, и эту величину удобно держать в голове как точку отсчёта: остальные жидкости сравнивают с ней.
Измерение вязкости нужно там, где от текучести зависит качество продукта или работа оборудования. В производстве красок и лаков вязкость определяет, как материал ложится на поверхность. В пищевой промышленности и косметике она задаёт консистенцию и ощущение при нанесении. Для масел и топлив вязкость — основа классификации и допуска к применению. В химической технологии вязкость раствора влияет на перемешивание, насосы и теплообмен. В научной работе по ней следят за ходом полимеризации, старением материала и структурой дисперсий.
Прибор для такой задачи называют вискозиметром. Какие вискозиметры бывают и чем они отличаются по конструкции, мы описали в статье «Что такое вискозиметр и какие бывают». Здесь остановимся на принципах: как именно получают число и почему для разных жидкостей методы измерения вязкости разные.
Динамическая и кинематическая вязкость: в чём разница
Слово «вязкость» в документах и прайсах означает одну из двух разных величин, и путать их нельзя. Ошибка в сто раз встречается именно потому, что обе величины называют просто «вязкостью».
Динамическая вязкость
Динамическая вязкость характеризует силу сопротивления сдвигу. Её единица в системе СИ — паскаль-секунда, а на практике чаще пользуются милипаскаль-секундой (мПа·с). Старая внесистемная единица — сантипуаз (сП), и 1 сП = 1 мПа·с, так что числа совпадают. Измерение динамической вязкости выполняют ротационными вискозиметрами: прибор создаёт сдвиг в пробе вращением и измеряет момент, который нужно приложить.
Кинематическая вязкость
Кинематическая вязкость показывает, как быстро жидкость течёт под действием собственного веса. Это динамическая вязкость, делённая на плотность пробы. Единица СИ — квадратный метр в секунду, на практике — мм²/с, и 1 мм²/с = 1 сСт (сантистокс). Кинематическую вязкость определяют капиллярными вискозиметрами: измеряют время, за которое определённый объём жидкости протекает через калиброванный капилляр.
Как перейти от одной величины к другой
Если известна плотность пробы при той же температуре, пересчёт прост: кинематическая вязкость в сСт равна динамической в сП, делённой на плотность в г/см³. Для воды плотность около 1 г/см³, поэтому числа почти совпадают, а для вязкого масла плотностью около 0,9 г/см³ кинематическая будет чуть больше динамической. Подробно о единицах и таблицах перевода написано в статье «Единицы вязкости: мПа·с, сантипуаз, пуаз, стокс, °ВУ и перевод».
Динамическую вязкость измеряют там, где проба должна течь под действием приложенной силы (перемешивание, насос, нанесение). Кинематическую — там, где жидкость течёт под собственным весом (слив, истечение, смазка узла). Выбирая метод, сначала определитесь, какая величина нужна в вашей методике.
Основные методы измерения вязкости
Все методы измерения вязкости сводятся к трём идеям. Либо в пробе создают сдвиг и измеряют сопротивление, либо измеряют время течения под действием силы тяжести, либо сравнивают время истечения с эталонной жидкостью. От выбора идеи зависит, какую величину получим, какие жидкости подойдут и насколько результат пригоден для сравнения с нормативом.
Рис. 1. Три метода измерения вязкости и величина, которую даёт каждый из них
Ротационный метод: измерение динамической вязкости
Ротационный метод основан на простой идее: тело определённой формы вращают в пробе с заданной скоростью и измеряют момент, который требуется для этого вращения. Чем вязче жидкость, тем больше момент. Зная геометрию измерительного тела и скорость, прибор пересчитывает момент в динамическую вязкость. Это наиболее универсальный путь для измерения динамической вязкости: он подходит и для жидкостей, текущих как вода, и для плотных паст.
Шпиндель в стакане
В самом распространённом варианте в пробу погружают шпиндель — диск, цилиндр или стержень, подвешенный на пружине или соединённый с датчиком момента. Вязкая проба сопротивляется вращению, пружина закручивается, и угол или сигнал датчика пересчитывается в мПа·с. Набор шпинделей разного размера и несколько скоростей позволяют охватить широкий диапазон вязкости на одном приборе. Серия КАДАММ ВИС-П работает по этому принципу и охватывает от 6 мПа·с до 320 млн мПа·с, частота вращения регулируется плавно от 0,1 до 200 об/мин. Принцип работы и подбор шпинделя мы разобрали в статье «Как работает ротационный вискозиметр».
Коаксиальные цилиндры
В другом варианте проба заполняет узкий зазор между двумя цилиндрами, один из которых вращается. Сдвиг в такой геометрии однородный, поэтому она хорошо подходит для жидкостей с малой вязкостью и для случаев, когда нужен строгий расчёт скорости сдвига. В каталоге это серия КАДАММ ВИС-КЦ с диапазоном от 1 до 1 млн мПа·с и частотой вращения от 7,5 до 750 об/мин; у цифровых исполнений есть собственный диапазон температуры пробы от 0 до 100 °C.
Неньютоновские жидкости
У воды и минерального масла вязкость при одной температуре одна и та же, как ни мешай — такие жидкости называют ньютоновскими. У красок, кремов, растворов полимеров вязкость зависит от скорости сдвига: при быстром перемешивании она падает, при покое возрастает. Для таких материалов одно число без указания скорости и шпинделя ничего не значит, и ротационный метод хорош тем, что скорость можно менять и снимать кривую. Поэтому в протоколе всегда записывают шпиндель, частоту вращения и температуру.
Полный ряд ротационных приборов собран в разделе ротационные вискозиметры, а приборы типа Брукфильд с классами пружины LV, RV, HB — в разделе вискозиметры Брукфильда.
Капиллярный метод: кинематическая вязкость
Капиллярный вискозиметр представляет собой стеклянную U-образную трубку с узким капилляром. Заданный объём жидкости под действием собственного веса стекает через капилляр, и по времени течения вычисляют кинематическую вязкость: время умножают на постоянную капилляра. Постоянная определяется калибровкой по эталонной жидкости и указывается в паспорте трубки.
Метод точен, но требует аккуратности. Проба должна быть прозрачной и без пузырей, температура в бане — стабильной с точностью до десятых долей градуса, а время — отсчитанным до сотых долей секунды. Поэтому капиллярные вискозиметры работают в паре с термостатируемой баней. Для нефтепродуктов такие аппараты собраны в разделе аппараты для определения вязкости нефтепродуктов: серия КАДАММ ВИС-КВ рассчитана на испытания кинематической вязкости, баня стандартных исполнений нагревается до 100 °C, автоматического — до 150 °C, для испытаний на холоде до −65 °C есть аппарат КАДАММ ВИС-КВН, а точность поддержания температуры составляет ±0,1 °C. Методика и нормативы описаны в статье «Кинематическая вязкость нефтепродуктов по ГОСТ 33 и ASTM D445».
Для масел по результатам двух измерений кинематической вязкости при двух температурах рассчитывают индекс вязкости. Этот показатель отражает, насколько сильно вязкость меняется с нагревом, и его принцип разобран в статье «Индекс вязкости масел по ГОСТ 25371». Аппарат КАДАММ ВИС-КВИ определяет плотность, вязкость и индекс вязкости, имеет четыре места в бане и хранит в памяти коэффициенты 99 капилляров.
Условная вязкость: воронки, Энглер, Сейболт
Условная вязкость — это время, за которое определённый объём жидкости вытекает через отверстие стандартного размера. Результат выражают в секундах либо в градусах (например, условных градусах Энглера) и сравнивают с временем истечения воды или эталона. Метод не даёт строгой физической величины, зато очень прост и воспроизводим на производстве: оператор с воронкой и секундомером за полминуты оценивает партию краски или лака.
Для лабораторных задач применяют приборы с термостатированием. Вискозиметр Энглера КАДАММ ВИС-УВЭ измеряет условную вязкость в градусах ВУ, температура его бани регулируется от 0 до 100 °C, а мерная колба вмещает 200 мл. Вискозиметр Сейболта КАДАММ ВИС-УВС даёт условную вязкость по методу Сейболта, диапазон бани от комнатной температуры до 240 °C. Подробнее о пересчёте условной вязкости в кинематическую — в статье «Условная вязкость: вискозиметр Энглера, градусы ВУ и пересчёт в кинематическую». Все приборы этого типа собраны в разделе вискозиметры условной вязкости.
Для лакокрасочных материалов есть отдельный вариант — вискозиметр Стормера, который измеряет вязкость в единицах Кребса. Серия КАДАММ ВИС-КУ работает при частоте вращения 200 об/мин, диапазон в единицах Кребса — 40–141 KU. Сравнение этого и других способов оценки вязкости красок мы разобрали в статье «Вязкость красок и ЛКМ».
Как выбрать метод под свою жидкость
Метод выбирают по трём признакам: что за жидкость, какой документ определяет испытание и какую величину в нём требуется получить. Таблица ниже помогает сориентироваться и перейти к нужному разделу.
| Проба и задача | Метод | Величина | Раздел и карточки |
|---|---|---|---|
| Краски, клеи, пасты, кремы, растворы полимеров | Ротационный, шпиндель | Динамическая, мПа·с | Ротационные вискозиметры, КАДАММ ВИС-П, КАДАММ ВИС-Ц |
| Простые стрелочные измерения, учебная и контрольная лаборатория | Ротационный, стрелочный | Динамическая, мПа·с | КАДАММ ВИС-М |
| Битумы, расплавы, клеи-расплавы при нагреве | Ротационный с нагревом пробы | Динамическая, мПа·с | КАДАММ ВИС-ПТ, КАДАММ ВИС-ТУ |
| Низкая вязкость, строгая геометрия сдвига | Коаксиальные цилиндры | Динамическая, мПа·с | КАДАММ ВИС-КЦ |
| Масла, топлива, прозрачные растворы | Капиллярный | Кинематическая, мм²/с | Аппараты для нефтепродуктов, КАДАММ ВИС-КВ |
| Лаки, краски, масла, оценка партии | Условная вязкость | Секунды, °ВУ | Вискозиметры условной вязкости, КАДАММ ВИС-УВЭ |
Если методика ссылается на конкретный стандарт, начинайте с него: он определяет геометрию, температуру и вид результата. Для ротационных приборов классов LV, RV и HB вопросы подбора пружины, шпинделя и диапазона разобраны в статье «Как выбрать ротационный вискозиметр», а если вы подбираете замену установленному прибору — в статье «Аналоги вискозиметров Brookfield DV2T и Fungilab». Если затрудняетесь с выбором, расскажите нашим инженерам, какую пробу нужно измерять и в каком диапазоне, и мы подберём серию.
Что влияет на результат измерения вязкости
Один и тот же прибор в разных условиях даст разные числа, и причина почти всегда в условиях, а не в приборе. Есть четыре фактора, которые стоит контролировать.
Температура пробы
У большинства жидкостей вязкость сильно падает при нагреве: у масла изменение температуры на несколько градусов заметно меняет число. Поэтому измерение вязкости ведут при указанной температуре, а пробу выдерживают в термостатируемой ванне или рубашке до выравнивания. Для задач с жидкостным термостатированием удобны жидкостные термостаты, а если нужна температура ниже комнатной, смотрите криостаты. О различиях этих приборов — в статье «Криостат и термостат: в чём разница».
Скорость сдвига и подготовка пробы
Для неньютоновских жидкостей результат зависит от скорости. Если сравниваете две партии, измеряйте их на одном шпинделе и одной скорости. Пробу перед замером аккуратно перемешивают и выдерживают, чтобы ушли пузыри воздуха: пузыри занижают показание. Для смол и компаундов воздух удаляют вакуумом, об этом — в статье «Вакуумная камера для дегазации компаундов и смол».
Заполнение и положение измерительного тела
Шпиндель погружают до метки, стакан должен быть достаточного размера, чтобы стенки не влияли на сдвиг. Нарушение этих условий искажает показания и делает результат несопоставимым с предыдущими измерениями.
Поверка и сличение
Приборы со временем уходят от градуировки, поэтому их проверяют по стандартным образцам вязкости с известным значением. Порядок описан в статье «Поверка и калибровка вискозиметра, стандартные образцы вязкости». Результат без отсылки на метод, температуру и условия измерения нельзя сравнивать с чужим.