Wat is viscositeit?

Viscositeit wordt gedefinieerd als de mate van weerstand die een fluidum biedt tegen een vervorming door schuifspanning. Eenvoudig gezegd is viscositeit de stroperigheid van een vloeistof. Hoe stroperiger de vloeistof hoe hoger de viscositeit. Zo heeft bijvoorbeeld water een lage en ketchup een hoge viscositeit.
 

Meetprincipe viscositeit

 

Stelt u zich twee evenwijdige platen voor waartussen zich een vloeistof bevindt. De afstand tussen de platen is [dy]. Wordt er nu een kracht [F] op de bovenste plaat uitgeoefend, dan zal deze met een bepaalde snelheid [dv] gaan bewegen. Deze snelheid is afhankelijk van de viscositeit van het medium en het contact oppervlak [A] van de vloeistof.

Afschuifspanning = Kracht = F = [N]
Oppervlakte A [m2]

 

Afschuifsnelheid = Snelheidsverschil = dv = [1]
Laagdikte dy [s]

 

Viscositeit = Afschuifspanning = [Pa.s]
Afschuifsnelheid

De officiele eenheid voor dynamische viscositeit volgens het SI-stelsel is Pa.s. (Pascal-seconde) Lagere viscositeiten worden uitgedrukt in mPa.s. 1000 mPa.s = 1 Pa.s.

Een andere veelgebruikte eenheid is Poise (P). Het is een verouderde eenheid uit het CGS-stelsel. Hiervan afgeleid is ook Centipoise (cPs) veel in gebruik. Water van 20 graden Celcius is 1 cps. 1 P = 0,1 Pa.s.

De eenheid voor kinematische viscositeit volgens het SI stelsel is m2/s. Voor lagere viscositeiten wordt ook wel mm2/s gebruikt.

De verouderde eenheid Stokes (St) uit het CGS-stelsel mag officieel niet meer gebruikt worden. Hiervan afgeleid is ook CentiStokes (cSt) veel in gebruik. 1 St = 10-4 m2/s.

Andere eenheden voor kinematische viscositeit zijn Ford, Engler, Saybolt, Zahn en Ubbelohde.

Afhankelijk van de toepassing kan de viscositeit op diverse manieren en met verschillende apparatuur bepaald worden.

 

Bij een Roterende viscositeitmeter draait een spindel met een gedefinieerd toerental in het medium. De kracht in de as van de spindel wordt gemeten en omgerekend naar viscositeit. Met een roterende viscositeitmeter kan nauwkeurig de viscositeit bepaald worden.
Een Ostwald viscositeitsmeter is een U-vormige glazen buis met capillair. De tijd dat het medium een gedefinieerde weg aflegt, wordt omgerekend naar een viscositeit.
Ook bij een Ubbelohde viscositeitsmeter wordt een U-vormige glazen buis met capillair toegepast. De tijd dat het medium een gedefinieerde weg aflegt, wordt omgerekend naar een viscositeit.
Bij een Uitloopbeker viscositeitsmeter wordt een cup van 100 ml met een kleine opening aan de onderzijde met het medium gevuld. Met een stopwatch wordt de uitlooptijd bepaald en kan de viscositeit berekend worden.
De zogenaamde Hoppler of Kogelval viscositeitsmeter berekent de viscositeit aan de hand van de tijd die een kogel nodig heeft om door een vertikale kolom gevuld met het medium te vallen.

De viscositeit zoals eerder gedefinieerd is de dynamische viscositeit. Dynamische viscositeit komt overeen met de echte definitie van viscositeit. Hoeveel kracht is nodig om een bepaald oppervlak over in een bepaalde tijd over een bepaalde afstand te verplaatsen.

Dynamische viscositeit kan gemeten worden met een roterende viscositeitmeter of vallende bal viscositeitmeter (Höppler) viscometer. De eenheid voor dynamische viscositeit is Pascal-seconde (Pa.s) of centiPoise (cP).

Als de dynamische viscositeit gedeeld wordt door dichtheid of soortelijke massa van het medium wordt de kinematische viscositeit berekend. Kinematische viscositeit wordt uitgedrukt in Stokes (St) of centiStokes (cSt).

Kinematische viscositeit kan direct worden gemeten met een Ostwald of Ubbelohde viscositeitsmeter of met een uitloopbeker. Hierbij wordt de tijd gemeten die een vloeistofkolom nodig heeft om onder invloed van zijn eigen gewicht door een capillair te stromen. Een lichte of zware vloeistof met gelijke dynamische viscositeit zal respectiefelijk langzamer of sneller door het capillair stromen.

Reologie is het vakgebied dat zich bezig houdt met de stromingseigenschappen van materialen. Hoe vervormt een materiaal als er een kracht op uitgeoefend wordt. Viscositeit is het meest bekende onderdeel van de reologie.

Vloei eigenschappen is een ander onderdeel van de reologie. Van een aantal vloeistoffen is bekend dat de viscositeit onafhankelijk is van de opgelegde kracht. Dit worden Newtonse vloeistoffen genoemd. Water is een voorbeeld van een newtonse vloeistof.

Bij Pseudoplastische vloeistoffen zal de viscositeit afnemen bij toenemende afschuifkracht. Dit wordt ook wel shear thinning genoemd. Voorbeelden voor psuedoplastische vloeistoffen zijn verf en shampoos. Als de schuifspanning opgeheven wordt, keert de beginviscositeit weer terug.

Het omgekeerde zijn Dilitante vloeistoffen. De viscositeit zal toenemen naarmate de afschuifkracht toeneemt. Honing en drijfzand zijn voorbeelden van dilitante vloeistoffen

Een Plastische vloeistof gedraagt zich in rusttoestand als een vaste stof. Pas bij toepassing van een bepaalde mate van schuifkracht (yield point) wordt het gedrag vloeibaar. Vervolgens kan het gedrag weer Newtons, Pseudoplastisch of Dilitant verlopen. Voorbeelden van plastische vloeistoffen zijn ketchup, kwark en smeervet.

Thixotrope vloeistoffen zullen, bij een constante afschuifkracht ,in de loop van de tijd een afnemende viscositeit vertonen. Yoghurt of drukinkt zijn voorbeelden van thixotrope vloeistoffen.

Een Reopexe vloeistof is het tegenovergestelde van een thixotrope vloeistof. De viscositeit neemt in de loop van de tijd toe, bij gelijke afschuifkracht. Reopexy komt niet veel voor.

In het verleden zijn er diverse belangrijke wetenschappers die zich hebben beziggehouden met rheologisch onderzoek. Een aantal van deze onderzoekers hebben specifieke vloeicurves gedefinieerd die tot op heden nog in gebruik zijn.

 

Newton   Een vloeistof wordt Newtons genoemd als de viscositeit onafhankelijk van de afschuifspanning is. Uiteraard is de temperatuur van de vloeistof wel van belang.
 
Ostwald   Een Ostwald vloeistof is pseudoplastisch. Als de afschuifspanning toeneemt zal de viscositeit afnemen.
 
Bingham   De Bingham vloei curve behoort bij de groep plastische vloeistoffen. Er is een minimale afschuifkracht (yield point) nodig om het vloeigedrag te gaan vertonen. Hierna is de curve Newtons.
 
Casson   Ook de Casson vloei curve is plastisch. Er is een minimale afschuifkracht (yield point) nodig om het vloeigedrag te gaan vertonen. Echter hierna is de vloeicurve pseudoplastisch.

De gemeten viscositeit is erg afhankelijk van temperatuur. Bij hogere temperaturen hebben veel vloeistoffen een lagere viscositeit dan bij lagere temperaturen.

Het is dus van belang om tijdens het meten van de viscositeit de temperatuur te meten en indien nodig onder controle te houden met een tempereer unit.

Een alternatief is om direct in de processtroom te meten. Dit kan met een draagbare viscositeitsmeter. Het nemen van monsters en het op temperatuur houden is overbodig.

Vloeistof [mPas*] Vloeistof [mPas*]
Appelmoes 1500 Glyserine 1500
Bijenhoning 2000 Petroleum 0,65
Boter 30.000 Chloroform 0,56
Vruchtensap 50 Verf 100
Gelatine 1200 Asfalt 10E5
Handcreme 8000 Bloed 4-25
Yoghurt 150 Glas 10E18-10E20
Ketchup 1500 Bitumen 10E11
Latex 200 Druivensap 2-5
Levertraan 35 Olijfolie 85
Yoghurt 150 Glas 10E18-10E20
Water 1 Mayonaise 2500

*) Waarden afhankelijk van temperatuur en afschuifkracht

Voor roterende meetsystemen zijn diverse meetsystemen beschikbaar. Afhankelijk van de viscositeit, structuur en aard van het medium, gewenste afschuifkracht en gevraagde nauwkeurigheid, dient een passend meetsysteem geselecteerd te worden.

  Bij het meetsysteem volgens DIN 53018 / 53019 wordt gemeten met een spindel die met een kleine spleet in een cup draait. Beide zijn nauwkeurig gedefinieerd en dat maakt een goede berekening van viscositeit en afschuifsnelheid mogelijk.
  Het ISO-2555 systeem, bestaat enkel uit spindels met diverse afmetingen. Hoe kleiner de spindel, hoe hoger de viscositeit die gemeten kan worden. Er zijn geen grote afschuifsnelheden mogelijk. De ISO-2555 systemen worden vooral voor eenpuntsmetingen gebruikt.
  Het Anker of TV meetsysteem bestaat uit vijf spindels en drie cups. Dit systeem wordt veel toegepast bij monsters die grovere onopgeloste delen bevatten. De toegepaste afschuifsnelheid is laag.

Ons advies: