Funktionsweise eines Rotationsviskosimeters und seine Rolle bei der Bestimmung der Viskosität

Viskosität ist ein Maß für den Fließwiderstand einer Flüssigkeit und eine entscheidende Eigenschaft in verschiedenen Branchen wie der Chemie-, Pharma-, Lebensmittel- und Kosmetikindustrie. Eine genaue Viskositätsmessung ist unerlässlich, um die Produktqualität sicherzustellen, Produktionsprozesse zu optimieren und gesetzliche Anforderungen zu erfüllen. Rotationsviskosimeter, die speziell für die Messung der Viskosität einer breiten Palette von Flüssigkeiten entwickelt wurden, sind in diesen Branchen zu einem unverzichtbaren Werkzeug geworden.

Rotationsviskosimeter sind vielseitige Instrumente, die die Viskosität von Flüssigkeiten bestimmen, indem sie das Drehmoment und die Winkelgeschwindigkeit analysieren, die von einem rotierenden Element innerhalb der Flüssigkeit erzeugt werden. Diese Instrumente liefern wertvolle Informationen über die rheologischen Eigenschaften der Flüssigkeit und ermöglichen es Forschern und Ingenieuren, das Verhalten des Materials unter verschiedenen Bedingungen zu verstehen.

In diesem Blogbeitrag vertiefen wir uns in die Funktionsweise des Rotationsviskosimeters und untersuchen seine zugrunde liegenden Prinzipien, verschiedenen Typen und die grundlegende Rolle, die es bei der genauen Bestimmung der Viskosität sowohl newtonscher als auch nicht-newtonscher Flüssigkeiten spielt. 

A. Das Prinzip eines Rotationsviskosimeters

Das Funktionsprinzip des Rotationsviskosimeters beruht auf der Messung des Drehmoments und der Winkelgeschwindigkeit, die von einem rotierenden Element in einer Flüssigkeit erzeugt werden. Diese Wechselwirkung zwischen der Flüssigkeit und dem rotierenden Element liefert wertvolle Informationen über die rheologischen Eigenschaften der Flüssigkeit, die wiederum zur Bestimmung ihrer Viskosität verwendet werden können.

1. Was ist das Prinzip eines Rotationsviskosimeters?

Bei der Rotationsviskosimetrie wird der Widerstand gemessen, dem ein rotierendes Element ausgesetzt ist, wenn es sich durch eine Flüssigkeit bewegt. Dieser Widerstand steht in direktem Zusammenhang mit der Viskosität der Flüssigkeit und wird in Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit ausgedrückt. Durch die Analyse der Beziehung zwischen Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit können Rotationsviskosimeter quantitative Informationen über die Viskosität der Flüssigkeit und ihre rheologischen Eigenschaften liefern.

2. Scherspannung und Schergeschwindigkeit

Der Betrieb von Rotationsviskosimetern beruht auf zwei grundlegenden Konzepten: Scherspannung und Schergeschwindigkeit. Scherspannung ist die Kraft, die pro Flächeneinheit ausgeübt wird und die eine Flüssigkeit zum Fließen bringt, während Schergeschwindigkeit die Geschwindigkeit ist, mit der sich die Geschwindigkeit der Flüssigkeit als Reaktion auf die ausgeübte Kraft ändert. Diese beiden Größen sind für das Verständnis des Verhaltens von Flüssigkeiten unter verschiedenen Bedingungen von wesentlicher Bedeutung und bilden die Grundlage für Messungen mit Rotationsviskosimetern.

3. Die Beziehung zwischen Scherspannung, Schergeschwindigkeit und Viskosität

Die Beziehung zwischen Scherspannung, Schergeschwindigkeit und Viskosität wird durch die folgende Gleichung beschrieben:

η = τ / γ̇

wobei η die Viskosität, τ die Scherspannung und γ̇ die Schergeschwindigkeit darstellt. In diesem Zusammenhang wird Viskosität als Verhältnis von Scherspannung zu Schergeschwindigkeit definiert und in Einheiten wie Pascalsekunden (Pa·s) oder Centipoise (cP) ausgedrückt.

4. Viskositätsklassifizierung: Newtonsche und nicht-Newtonsche Flüssigkeiten

Flüssigkeiten können anhand ihres Viskositätsverhaltens als newtonsche oder nicht-newtonsche Flüssigkeiten klassifiziert werden. Newtonsche Flüssigkeiten weisen eine lineare Beziehung zwischen Scherspannung und Schergeschwindigkeit auf, wobei die Viskosität unabhängig von der angewandten Kraft konstant bleibt. Beispiele für newtonsche Flüssigkeiten sind Wasser, Glycerin und viele Öle.

Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten weisen dagegen eine komplexere Beziehung zwischen Scherspannung und Schergeschwindigkeit auf, wobei sich die Viskosität ändert, wenn sich die angewandte Kraft ändert. Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten können weiter in mehrere Kategorien unterteilt werden, wie z. B. scherverdünnende, scherverdickende und zeitabhängige Flüssigkeiten. Beispiele für nicht-Newtonsche Flüssigkeiten sind Blut, Farbe und Zahnpasta.

5. Arten von Rotationsviskosimetern

Es gibt verschiedene Arten von Rotationsviskosimetern, darunter koaxiale Zylinderviskosimeter, Kegel-Platte-Viskosimeter und rotierende Spindelviskosimeter. Jeder Viskosimetertyp hat seine eigenen Vorteile und Einschränkungen, und die Auswahl des geeigneten Viskosimeters hängt von den spezifischen Anforderungen der Messung ab.

Das Verständnis der Prinzipien der Rotationsviskosimeter und der verschiedenen Flüssigkeitsarten ist von entscheidender Bedeutung für die Auswahl der geeigneten Messtechnik und die Gewährleistung einer genauen Viskositätsbestimmung mit dem ASTM-Rotationsviskosimeter oder anderen Rotationsviskosimetern.

B. Testverfahren mit dem Rotationsviskosimeter und wichtige Überlegungen

Rotationsviskosimeter werden in vielen Branchen häufig verwendet, um die Viskosität von Flüssigkeiten zu messen, eine für viele Anwendungen entscheidende Eigenschaft. Die Bestimmung der Viskosität mit einem Rotationsviskosimeter erfordert ein spezielles Rotationsviskosimeter-Testverfahren und setzt ein Verständnis der zugrundeliegenden Prinzipien voraus. Also, Bestimmung der Viskosität mit einem Rotationsviskosimeter? Lassen Sie uns tiefer in die Materie eintauchen.

1. Probenvorbereitung

Der erste Schritt besteht darin, die Probe vorzubereiten und sicherzustellen, dass sie frei von Verunreinigungen und Schadstoffen ist. Dies kann Filtration, Entgasung oder Zentrifugation umfassen, um Luftblasen oder andere Schadstoffe zu entfernen.

2. Temperaturregelung

Die Temperaturkontrolle ist entscheidend, da sie die Viskosität erheblich beeinflusst. Die Aufrechterhaltung einer konstanten und kontrollierten Temperatur während des Messvorgangs ist unerlässlich. Dies kann durch die Verwendung eines temperaturgeregelten Viskosimeters oder durch Aufstellen des Viskosimeters in einer temperaturgeregelten Umgebung erreicht werden.

3. Messvorgang

Das Testverfahren mit dem Rotationsviskosimeter umfasst die folgenden Schritte:

• Auswahl des passenden Rotationselements: Dies hängt von den spezifischen Messanforderungen und der Art der zu messenden Flüssigkeit ab. Zu den gängigen Typen gehören Koaxialzylinder-, Kegel-Platte- und Rotationsspindelviskosimeter.
• Einstellen der Drehzahl: Dies sollte gemäß den entsprechenden Verfahren für die jeweilige Flüssigkeit eingestellt werden. Die Drehzahl wird so gewählt, dass die Flüssigkeit der entsprechenden Schergeschwindigkeit ausgesetzt ist.
• Messung von Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit: Dies geschieht mithilfe eines Wandlers oder Sensors. Das Verhältnis dieser beiden Größen zueinander ist für die Bestimmung der Viskosität entscheidend.
• Berechnung der Viskosität: Die Viskosität wird mit der Gleichung eines Rotationsviskosimeters berechnet: η = (τ / γ̇)

wobei η die Viskosität, τ die Scherspannung und γ̇ die Schergeschwindigkeit ist. Diese Gleichung ist auch als Rotationsviskosimeterformel bekannt.

4. Datenanalyse

Die aus dem Rotationsviskosimeter-Diagramm gewonnenen Daten sollten sorgfältig auf Fehler und Ausreißer analysiert werden. Zur Analyse der Daten werden geeignete statistische Methoden verwendet, und die Viskosität der Flüssigkeit kann als Funktion der Schergeschwindigkeit, der Temperatur oder anderer relevanter Faktoren berechnet werden.

5. Kalibrierung des Rotationsviskosimeters

Die Kalibrierung eines Rotationsviskosimeters ist entscheidend, um genaue und konsistente Messungen sicherzustellen. Ein richtig kalibriertes Viskosimeter ist für zuverlässige Ergebnisse unerlässlich. Dies kann durch geeignete Kalibrierungstechniken erreicht werden, z. B. durch die Verwendung einer Kalibrierungsflüssigkeit mit bekannter Viskosität oder durch die Verwendung eines Viskosimeters mit integriertem Kalibrierungssystem.

6. Ergebnisse melden

Die Ergebnisse der Viskositätsmessung müssen klar und genau angegeben werden, einschließlich der Art der Flüssigkeit, der Messbedingungen und der berechneten Viskosität. Die Ergebnisse müssen in den entsprechenden Einheiten (cP oder Pa s) angegeben werden, und die Messunsicherheit muss angegeben werden.

Wenn Forscher und Ingenieure die richtigen Verfahren befolgen, ein richtig kalibriertes Viskosimeter verwenden und die Gleichung und Formel des Rotationsviskosimeters verstehen, können sie genaue und konsistente Viskositätsmessungen erzielen. Dies ist für die Aufrechterhaltung der Produktqualität, die Optimierung von Prozessen und die Entwicklung neuer Materialien und Technologien von entscheidender Bedeutung.

C. Vorteile und Grenzen von Rotationsviskosimetern

Rotationsviskosimeter werden aufgrund ihrer Vielseitigkeit und Wirksamkeit in verschiedenen Branchen häufig zur Messung der Viskosität von Flüssigkeiten eingesetzt. Wie bei jeder Messtechnik haben sie jedoch ihre eigenen Vorteile und Einschränkungen, die bei der Auswahl des geeigneten Viskosimeters für eine bestimmte Anwendung berücksichtigt werden müssen. Lassen Sie uns die wichtigsten Vorteile und Einschränkungen von Rotationsviskosimetern untersuchen.

1. Vorteile von Rotationsviskosimetern

• Vielseitigkeit: Rotationsviskosimeter sind in vielen verschiedenen Konfigurationen erhältlich, darunter in Koaxialzylinder-, Kegel-Platten- und Rotationsspindelausführung. Mit ihnen lässt sich die Viskosität einer Vielzahl von Flüssigkeiten messen, von Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität bis hin zu Materialien mit hoher Viskosität.
• Präzision und Genauigkeit: Rotationsviskosimeter ermöglichen präzise und genaue Viskositätsmessungen und eignen sich daher für Anwendungen in der Qualitätskontrolle, Prozessoptimierung und Forschung.
• Schergeschwindigkeitskontrolle: Viele Rotationsviskosimeter-Designs ermöglichen die Steuerung und Anpassung der auf die Flüssigkeit ausgeübten Schergeschwindigkeit, wodurch sowohl das newtonsche als auch das nicht-newtonsche Verhalten von Flüssigkeiten gemessen werden kann.
• Kontinuierliche Messung: Rotationsviskosimeter können kontinuierliche Viskositätsmessungen durchführen und so die Veränderung von Flüssigkeitseigenschaften im Zeitverlauf überwachen, was für die Prozesssteuerung und -optimierung besonders nützlich ist.
• Einfache Bedienung: Rotationsviskosimeter, insbesondere solche mit automatisiertem oder computergesteuertem Betrieb, sind im Allgemeinen einfach zu verwenden und erfordern nur eine minimale Schulung des Bedieners, sodass sie für einen breiten Benutzerkreis zugänglich sind.

2. Einschränkungen von Rotationsviskosimetern

• Temperaturempfindlichkeit: Wie in den vorhergehenden Kapiteln erwähnt, kann die Viskosität von Flüssigkeiten höchst empfindlich auf Temperaturschwankungen reagieren. Rotationsviskosimeter erfordern daher eine sorgfältige Temperaturkontrolle, um genaue und konsistente Messungen zu gewährleisten.
• Begrenzter Schergeschwindigkeitsbereich: Rotationsviskosimeter können zwar einen weiten Bereich an Schergeschwindigkeiten abdecken, sie sind jedoch möglicherweise nicht für die Messung der Viskosität von Flüssigkeiten geeignet, die extrem hohe oder niedrige Schergeschwindigkeiten erfordern. Für diese sind andere Viskosimetertypen möglicherweise besser geeignet.
• Potenzial für scherbedingte Strukturänderungen: Die hohen Schergeschwindigkeiten, denen die Flüssigkeit in einem Rotationsviskosimeter ausgesetzt ist, können möglicherweise Strukturänderungen in der Flüssigkeit hervorrufen, wie etwa die Ausrichtung von Makromolekülen oder den Abbau von Aggregaten, was die gemessene Viskosität beeinflussen und zu ungenauen Ergebnissen führen kann.
• Anforderungen an das Probenvolumen: Rotationsviskosimeter erfordern typischerweise ein Mindestprobenvolumen, um ein ordnungsgemäßes Eintauchen des rotierenden Elements zu gewährleisten. Dies kann bei Anwendungen mit beschränktem Probenvolumen eine Einschränkung darstellen.
• Wartung und Kalibrierung: Rotationsviskosimeter erfordern eine regelmäßige Wartung und Kalibrierung, um eine genaue und zuverlässige Leistung zu gewährleisten, was die Gesamtkosten für Besitz und Betrieb erhöhen kann.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Rotationsviskosimeter eine Reihe von Vorteilen bieten, die sie zu einer beliebten Wahl für Viskositätsmessungen in verschiedenen Branchen machen. Es ist jedoch wichtig, ihre Einschränkungen zu verstehen und die spezifischen Anforderungen der Anwendung sorgfältig zu berücksichtigen, wenn Sie das geeignete Viskosimeter für eine bestimmte Aufgabe auswählen.

D. Anwendungen von Rotationsviskosimetern

Rotationsviskosimeter finden aufgrund ihrer Vielseitigkeit, Genauigkeit und Fähigkeit, wertvolle Erkenntnisse über die rheologischen Eigenschaften von Flüssigkeiten zu liefern, in zahlreichen Branchen breite Anwendung.

1. Qualitätskontrolle und Prozessüberwachung

Rotationsviskosimeter werden häufig in der Qualitätskontrolle eingesetzt, wo sie eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der Konsistenz und Stabilität verschiedener Produkte spielen. In der Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmaindustrie werden Rotationsviskosimeter eingesetzt, um die Viskosität von Rohstoffen, Zwischenprodukten und Endformulierungen zu überwachen und Abweichungen zu erkennen, die sich auf die Qualität, Leistung oder Haltbarkeit des Produkts auswirken könnten.

2. Forschung und Entwicklung

Rotationsviskosimeter sind unschätzbare Werkzeuge in Forschung und Entwicklung, insbesondere in den Bereichen Materialwissenschaft, Polymertechnik und komplexe Fluiddynamik. Forscher verwenden diese Instrumente, um das rheologische Verhalten neuartiger Materialien wie Polymerschmelzen, Suspensionen und Emulsionen zu untersuchen, um ihre Struktur-Eigenschafts-Beziehungen besser zu verstehen und ihre Leistung zu optimieren.

3. Schmier- und Kraftstoffprüfung

In der Automobil- und Industriemaschinenbranche werden Rotationsviskosimeter eingesetzt, um die Viskositätseigenschaften von Schmiermitteln, Fetten und Kraftstoffen zu ermitteln. Diese Informationen sind entscheidend für die Vorhersage der Leistung, Effizienz und Lebensdauer dieser kritischen Komponenten und tragen dazu bei, eine ordnungsgemäße Schmierung sicherzustellen, Verschleiß zu reduzieren und einen optimalen Motor- oder Maschinenbetrieb aufrechtzuerhalten.

4. Beschichtung und Tintenformulierung

Die Viskosität von Beschichtungen, Farben und Tinten ist ein entscheidender Parameter, der deren Fließfähigkeit, Streichfähigkeit und Anwendungseigenschaften bestimmt. Rotationsviskosimeter werden bei der Entwicklung und Qualitätskontrolle dieser Materialien eingesetzt und ermöglichen es Formulierern, die Viskosität für gewünschte Anwendungsmerkmale wie Sprühen, Streichen oder Drucken zu optimieren.

5. Biomedizinische und pharmazeutische Anwendungen

In der biomedizinischen und pharmazeutischen Industrie werden Rotationsviskosimeter verwendet, um die rheologischen Eigenschaften verschiedener Flüssigkeiten wie Blut, Synovialflüssigkeiten und Arzneimittelformulierungen zu charakterisieren. Diese Informationen sind für das Verständnis des Verhaltens dieser komplexen Flüssigkeiten im menschlichen Körper und für die Entwicklung wirksamer und sicherer pharmazeutischer Produkte von entscheidender Bedeutung.

6. Lebensmittel- und Getränkeverarbeitung

Die Lebensmittel- und Getränkeindustrie verlässt sich in großem Maße auf Rotationsviskosimeter, um die Viskosität einer breiten Palette von Produkten zu überwachen, von Saucen und Dressings bis hin zu Fruchtsäften und Milchprodukten. Die Beibehaltung der optimalen Viskosität ist entscheidend für die Gewährleistung gleichbleibender Produktqualität, Textur und Mundgefühl sowie für die Optimierung der Produktionsprozesse.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Rotationsviskosimeter aufgrund ihrer Vielseitigkeit, Genauigkeit und Benutzerfreundlichkeit in verschiedenen Branchen und Anwendungen weit verbreitet sind. Sie helfen bei der Produktentwicklung, Qualitätskontrolle, Prozessoptimierung sowie Forschung und Entwicklung und sorgen für eine gleichbleibende Produktleistung, verbesserte Effizienz und weniger Abfall.

Fazit: Rotationsviskosimeter - Ein robustes Werkzeug für den industriellen Erfolg

Rotationsviskosimeter sind mehr als nur wissenschaftliche Instrumente; sie sind robuste Werkzeuge, die den industriellen Erfolg direkt beeinflussen können. Durch die präzise Messung der Flüssigkeitsviskosität helfen diese Geräte Herstellern, die Produktqualität sicherzustellen, Produktionsprozesse zu optimieren und innovative neue Materialien zu entwickeln.

In Branchen wie der Lebensmittel-, Pharma- und Kosmetikindustrie spielen Rotationsviskosimeter eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung einer gleichbleibenden Produkttextur und -leistung. Sie sorgen dafür, dass Soßen reibungslos fließen, Cremes gleichmäßig verteilt werden und Medikamente die richtige Dosierung erhalten. In der Fertigung helfen diese Geräte bei der Optimierung von Produktionsprozessen, indem sie die ideale Viskosität für effizientes Mischen, Pumpen und Beschichten ermitteln. Und in Forschung und Entwicklung ermöglichen sie die Schaffung neuer Materialien mit gewünschten Eigenschaften und treiben Innovationen in verschiedenen Sektoren voran.

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References:

• Alan S. Morris, Reza Langari. (2016). Kapitel 21 – Zusammenfassung anderer Messungen. Messung und Instrumentierung (Zweite Ausgabe). Academic Press. Seiten 633-672
• Barnes, Howard. (2019). Eine Untersuchung der Verwendung von Rotationsviskosimetern zur Qualitätskontrolle nicht-newtonscher Flüssigkeiten in Fabriken. Angewandte Rheologie. 11. 89-101. 10.1515/arh-2001-0006.
• Yaakov Kraftmacher. (2010). Lehramt Physik 45 622. IOP Publishing GmbH