Viskositäts-Flusskurve – Teil 1

Warum eine Viskositäts-Flusskurve messen, anstatt nur eine Zahl anzugeben?

Sehr oft werden Chemiker gebeten, einen einzelnen Viskositätswert für ein Produkt oder eine Formulierung bereitzustellen, ohne viel Informationen über die erforderlichen Messbedingungen. Für ein Öl oder eine Flüssigkeit mit niedriger Viskosität, die newtonsch ist, ist dies ziemlich unkompliziert, solange Ihr Viskosimeter ordnungsgemäß kalibriert ist und die Messtemperatur bereitgestellt wird. Allerdings sind die meisten industriell interessanten oder komplexen Flüssigkeiten wie Polymerlösungen, Suspensionen und Emulsionen nicht-newtonisch, was bedeutet, dass ihre Viskosität mit der Scherfrequenz variiert – die Scherfrequenz ist die Geschwindigkeit, mit der eine Scherkraft angewendet wird – und möglicherweise auch von der Zeit abhängig ist (thixotrop). Daher müssen bei Proben, die scherstress- oder zeitempfindlich sind, einige weitere Fragen gestellt werden, um die erforderlichen Daten erzeugen zu können.

Wie zu erwarten wäre, macht eine verringerte Viskosität eine Flüssigkeit leichter pump- und streichbar, während eine erhöhte Viskosität das Tropfen reduziert – potenziell ein Vorteil für Produkte wie Farbe und Tinte. Hohe Viskosität kann auch die nötige Struktur bieten, um Partikel in Arzneimitteln, Körperpflegeprodukten und Getränken zu suspendieren. Sicherzustellen, dass die Viskosität eines Produkts eng an die Anforderungen des Endgebrauchs angepasst ist, ist eine wertvolle Strategie zur Steigerung des Produktwerts und zur Erfüllung der Verbrauchererwartungen.

Die meisten komplexen Flüssigkeiten sind scherverdünnend, d. h. ihre Viskosität nimmt mit zunehmender Scherfrequenz ab, obwohl bestimmte Systeme wie sehr konzentrierte Suspensionen eine Scherverdickung zeigen können, eine Erhöhung der Viskosität bei hohen Scherfrequenzen. Dies bedeutet, dass wir die Viskosität einer Formulierung nur dann erfolgreich an die Leistungsanforderungen anpassen können, wenn wir sie unter den bei der Produktnutzung angewendeten Scherbedingungen messen.

Definieren eines Messbereichs

Der Schlüssel hier ist, relevante Ergebnisse zu liefern anstatt nur eine willkürliche Zahl… Zum Beispiel hat Mayonnaise bei 20°C eine Viskosität von 500.000 mPas oder cP bei einer Scherfrequenz von 0,1 s^-1, während sie bei 100 s^-1 auf etwa 2.000 mPas fällt. Die Viskosität hängt also sehr von der erlebten Scherfrequenz ab. In vielen Prozessen durchläuft ein Material einen Bereich von Scherfrequenzen. Beim Pumpen beispielsweise wird das Material zuerst mit mäßig niedriger Scherung in die Pumpe gezogen, erleidet dann hohe Scherung, wenn es an der Pumpeklinge vorbeigeht, und dann wieder niedrigere Scherung beim Austritt. Daher müsste man, um den gesamten Pumpvorgang zu simulieren, über einen recht weiten Bereich von Scherfrequenzen messen (d. h. 1 bis 1.000 s^-1).

Nützlicher Ausschnitt:

Der Begriff „Scherfrequenz“ beschreibt die Scherflussrate, die eine Probe pro Volumeneinheit erfährt, während der Begriff „Scherspannung“ die Scherkraft beschreibt, die eine Probe pro Volumeneinheit erfährt.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Scherfrequenz nicht nur von der Flüssigkeitsgeschwindigkeit, sondern auch von den Dimensionen der gescherten Flüssigkeit abhängt, sodass im Falle eines Rohrflusses sowohl die Flussrate als auch der Rohrdurchmesser wichtig sind und dies berechnet werden kann [1]. Auch lohnt es sich, über den Ursprung der Viskositätsanforderung nachzudenken: Wird sie nur als Qualitätskontrollparameter angefordert, oder sind die Informationen erforderlich, um ein Prozessproblem zu lösen? Wenn wir z. B. ein Problem mit dem Fluss in einer Pipeline betrachten, könnte der Viskositätswert bei niedriger Scherfrequenz oder der Fließpunktquote der relevanteste Wert sein. Wenn wir hingegen konstante Fließraten in engen Rohren betrachten, wäre eine höhere Scherfrequenz sinnvoller zu verwenden.

Wie Sie in der obigen Tabelle sehen können, haben verschiedene Prozesse eine Reihe von unterschiedlichen Scherfrequenzen, die mit ihnen verbunden sind, anstatt nur einer einzigen Scherfrequenz, und ein einzelnes Produkt kann während seines Lebenszyklus vielen dieser verschiedenen Prozesse ausgesetzt sein.

Obwohl ein einzelner Viskositätswert in einigen Fällen ausreichen kann (gemacht bei der richtigen Scherfrequenz), benötigen die meisten Produkte mehr Viskositätsinformationen, da sie eine Reihe von Scherfrequenzen erfahren und somit das Erzeugen einer Gleichgewichtskurve erforderlich machen. Ebenso muss die Prozesstemperatur bei der Durchführung einer Viskositätsmessung berücksichtigt werden, da sie ein kritischer Faktor ist. Als Daumenregel reduzieren sich wasserbasierte Systeme um etwa 2%/°C, während ölbasierte Systeme ihre Viskosität um etwa 10%/°C Reduktion erhöhen, wodurch eine gute Temperaturkontrolle im letztgenannten Fall entscheidend sein kann.

Simulation eines Scherprozesses auf einem Rotationsrheometer

Indem man ein Material in einer geometrischen Konfiguration bekannter Dimensionen (z.B. Kegel und Platte, parallele Platten oder Becher und Bördel) in einem Rotationsrheometer schert, ist es möglich, die Scherfrequenzen und Spannungen komplexerer Flussregime, wie sie in einem Mischer oder einem Beschichtungsprozess auftreten, direkt zu simulieren. Dies gibt uns die Fähigkeit, Prozesse im Zusammenhang mit der Produktion, Lagerung und den Endnutzungsbedingungen in einer sehr kontrollierten Umgebung mit kleinen Probenmengen direkt zu simulieren und ermöglicht es uns, verschiedene Produkte und Formulierungen einfach und schnell zu vergleichen.

Außerdem, wenn wir zunächst einen akzeptablen Viskositätsbereich definieren, indem wir eine Flusskurve für ein Produkt messen, das bekanntlich gut funktioniert, z.B. gute Stabilität hat, akzeptabel pumpt usw., dann kann dies einen Zielviskositätswert oder -bereich für Formulierer oder Prozessingenieure bereitstellen. Die Viskosität des Produkts ist in vielen Teilen der Formulierung, Produktion und des Endnutzung wichtig, wie unten gezeigt.

Indem man ein Rheometer mit einem großen Geschwindigkeits- und Drehmomentbereich wie das Kinexus nutzt, ist es möglich, nicht nur Viskositäten über einen weiten Bereich von Scherfrequenzen zu messen, sondern dies möglicherweise in einer einzigen Messung zu erreichen, die gleichzeitig Informationen über Lagerung, Verarbeitung und Endverbrauch bereitstellt!

In meinem nächsten Blog werden wir uns damit befassen, wie man am besten eine Flusskurve misst, einschließlich der Auswahl der Messgeometrie und wie man Messfehler erkennt und vermeidet.

1. Malvern Instruments Anwendungsnotiz – Bearbeitung nicht-newtonischer Produkte: Bestimmung des Druckabfalls für ein Power-Law-Fluid entlang eines geraden kreisförmigen Rohres

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