Что такое вязкостьДинамическая и кинематическаяМетоды измеренияРотационный методКапиллярный методУсловная вязкостьКак выбрать методЧто влияет на результат

Что именно определяют при измерении вязкости

Вязкость есть внутреннее трение жидкости. При сдвиге одного слоя относительно другого между слоями возникает сила сопротивления: чем она больше при той же скорости сдвига, тем вязче жидкость. Вода течёт легко, глицерин и мёд медленно, а битум при комнатной температуре практически не течёт. Вязкость воды при 20 °C — около 1 мПа·с; эту цифру удобно помнить как точку отсчёта, с которой сравнивают другие жидкости.

Вязкость приходится измерять там, где от текучести зависит качество продукта или работа оборудования. В производстве красок и лаков она определяет, как материал ложится на поверхность. В пищевой промышленности и косметике от неё зависят консистенция и ощущения при нанесении. Для масел и топлив вязкость служит основой классификации и допуска к применению. В химической технологии вязкость раствора сказывается на перемешивании, работе насосов и теплообмене. В научных исследованиях по ней отслеживают полимеризацию, старение материала и структуру дисперсий.

Прибор, решающий эту задачу, называется вискозиметром. Об устройстве разных вискозиметров и их отличиях рассказано в статье «Что такое вискозиметр и какие бывают». Здесь же речь о принципах: как получают значение и по какой причине для разных жидкостей методы измерения вязкости не совпадают.

Динамическая и кинематическая вязкость: различия

В документах и прайсах под словом «вязкость» скрываются две разные величины, и их нельзя путать. Ошибки в сто раз случаются как раз потому, что обе называют просто «вязкостью».

Динамическая вязкость

Динамическая вязкость отражает силу сопротивления сдвигу. В системе СИ её единица — паскаль-секунда, но на практике чаще используют милипаскаль-секунду (мПа·с). Прежняя внесистемная единица — сантипуаз (сП): 1 сП = 1 мПа·с, и числа совпадают. Динамическую вязкость определяют ротационными вискозиметрами: прибор вращением создаёт в пробе сдвиг и измеряет прикладываемый момент.

Кинематическая вязкость

Кинематическая вязкость показывает скорость течения жидкости под собственным весом и равна динамической, делённой на плотность пробы. В СИ единица — квадратный метр в секунду, на практике — мм²/с, причём 1 мм²/с = 1 сСт (сантистокс). Измеряют её капиллярными вискозиметрами по времени, за которое заданный объём жидкости проходит через калиброванный капилляр.

Переход от одной величины к другой

Когда плотность пробы при той же температуре известна, пересчёт несложен: кинематическая вязкость в сСт равна динамической в сП, делённой на плотность в г/см³. У воды плотность около 1 г/см³, так что числа практически одинаковы, а у вязкого масла плотностью около 0,9 г/см³ кинематическая вязкость немного превышает динамическую. О единицах и таблицах перевода подробно написано в статье «Единицы вязкости: мПа·с, сантипуаз, пуаз, стокс, °ВУ и перевод».

Динамическая вязкость нужна там, где проба течёт под действием приложенной силы (перемешивание, насос, нанесение), кинематическая — где жидкость течёт под собственным весом (слив, истечение, смазка узла). Подбирая метод, сперва выясните, какая из величин требуется в вашей методике.

Основные методы измерения вязкости

Все методы измерения вязкости опираются на одну из трёх идей: создать в пробе сдвиг и измерить сопротивление, засечь время течения под силой тяжести или сопоставить время истечения с эталонной жидкостью. От выбранной идеи зависят получаемая величина, пригодные жидкости и возможность сравнить результат с нормативом.

Измерение вязкости Ротационный момент при вращении Капиллярный время течения в трубке Условная вязкость время истечения из отверстия Динамическая, мПа·с пасты, краски, клеи, расплавы Кинематическая, мм²/с масла, топлива, растворы Условная: секунды, °ВУ сравнение партий и сортов

Рис. 1. Три метода измерения вязкости и получаемая каждым из них величина

Ротационный метод и динамическая вязкость

В основе ротационного метода простая идея: тело заданной формы вращают в пробе с известной скоростью и измеряют момент, необходимый для вращения. Чем жидкость вязче, тем момент больше. По геометрии измерительного тела и скорости прибор переводит момент в динамическую вязкость. Это самый универсальный путь для динамической вязкости: он годится и для жидкостей, текущих как вода, и для плотных паст.

Шпиндель в стакане

Чаще всего в пробу опускают шпиндель — диск, цилиндр или стержень, закреплённый на пружине либо связанный с датчиком момента. Вязкая проба тормозит вращение, пружина закручивается, а угол или сигнал датчика пересчитывается в мПа·с. Шпиндели разных размеров и несколько скоростей дают возможность охватить широкий диапазон вязкости одним прибором. Так устроена серия КАДАММ ВИС-П : она перекрывает от 6 мПа·с до 320 млн мПа·с, а частота вращения плавно регулируется от 0,1 до 200 об/мин. Принцип и подбор шпинделя изложены в статье «Как работает ротационный вискозиметр».

Коаксиальные цилиндры

Есть и другая схема: проба заполняет узкий зазор между двумя цилиндрами, один из которых вращается. Сдвиг в такой геометрии однороден, поэтому она подходит для жидкостей малой вязкости и для задач, где скорость сдвига нужно считать строго. Из ассортимента сюда относится серия КАДАММ ВИС-КЦ с диапазоном от 1 до 1 млн мПа·с и частотой вращения от 7,5 до 750 об/мин; цифровые исполнения имеют собственный диапазон температуры пробы от 0 до 100 °C.

Неньютоновские жидкости

Вода и минеральное масло при одной температуре имеют постоянную вязкость, как их ни перемешивай, — такие жидкости называют ньютоновскими. Вязкость красок, кремов и растворов полимеров зависит от скорости сдвига: при быстром перемешивании она снижается, в покое растёт. Для таких материалов одно число без скорости и шпинделя ничего не значит; достоинство ротационного метода в том, что скорость можно менять и строить кривую. Поэтому в протокол всегда вносят шпиндель, частоту вращения и температуру.

Все ротационные приборы представлены в разделе ротационные вискозиметры, а приборы типа Брукфильд с классами пружины LV, RV, HB — в разделе вискозиметры Брукфильда.

Капиллярный метод: кинематическая вязкость

Капиллярный вискозиметр — это стеклянная U-образная трубка с узким капилляром. Заданный объём жидкости стекает через капилляр под собственным весом, а кинематическую вязкость находят по времени течения, умножая его на постоянную капилляра. Постоянную получают калибровкой по эталонной жидкости и записывают в паспорт трубки.

Метод точен, но требователен. Проба должна быть прозрачной и без пузырей, температура в бане — стабильной до десятых долей градуса, время — отсчитанным до сотых долей секунды. Поэтому капиллярные вискозиметры используют вместе с термостатируемой баней. Такие аппараты для нефтепродуктов собраны в разделе аппараты для определения вязкости нефтепродуктов: серия КАДАММ ВИС-КВ предназначена для испытаний кинематической вязкости, баня стандартных исполнений нагревается до 100 °C, для испытаний на холоде до −65 °C предусмотрен аппарат КАДАММ ВИС-КВН, точность поддержания температуры составляет ±0,1 °C. Методику и нормативы описывает статья «Кинематическая вязкость нефтепродуктов по ГОСТ 33 и ASTM D445».

Для масел по двум измерениям кинематической вязкости при двух температурах вычисляют индекс вязкости — показатель того, насколько сильно вязкость меняется при нагреве; его принцип изложен в статье «Индекс вязкости масел по ГОСТ 25371». Аппарат КАДАММ ВИС-КВИ определяет плотность, вязкость и индекс вязкости, вмещает в бане четыре пробы и хранит в памяти коэффициенты 99 капилляров.

Условная вязкость: воронки, Энглер, Сейболт

Условная вязкость — время, за которое заданный объём жидкости вытекает через отверстие стандартного размера. Результат выражают в секундах или градусах (например, условных градусах Энглера) и сопоставляют со временем истечения воды или эталона. Строгой физической величины метод не даёт, но он прост и хорошо воспроизводится в цехе: оператор с воронкой и секундомером оценит партию краски или лака за полминуты.

В лабораторных задачах используют приборы с термостатированием. Вискозиметр Энглера КАДАММ ВИС-УВЭ определяет условную вязкость в градусах ВУ; баня регулируется от 0 до 100 °C, мерная колба рассчитана на 200 мл. Вискозиметр Сейболта КАДАММ ВИС-УВС показывает условную вязкость по методу Сейболта, баня работает от комнатной температуры до 240 °C. Как условную вязкость пересчитывают в кинематическую, объясняет статья «Условная вязкость: вискозиметр Энглера, градусы ВУ и пересчёт в кинематическую». Приборы этого типа собраны в разделе вискозиметры условной вязкости.

Для лакокрасочных материалов предусмотрен вискозиметр Стормера, дающий вязкость в единицах Кребса. Серия КАДАММ ВИС-КУ работает на частоте вращения 200 об/мин, диапазон в единицах Кребса — 40–141 KU. Этот и другие способы оценки вязкости красок сопоставлены в статье «Вязкость красок и ЛКМ».

Подбор метода под вашу жидкость

Метод определяют три признака: какая это жидкость, какой документ регламентирует испытание и какую величину надо получить. Таблица ниже поможет сориентироваться и открыть нужный раздел.

Проба и задачаМетодВеличинаРаздел и карточки
Краски, клеи, пасты, кремы, растворы полимеровРотационный, шпиндельДинамическая, мПа·сРотационные вискозиметры, КАДАММ ВИС-П, КАДАММ ВИС-Ц
Простые стрелочные измерения, учебная и контрольная лабораторияРотационный, стрелочныйДинамическая, мПа·сКАДАММ ВИС-М
Битумы, расплавы, клеи-расплавы при нагревеРотационный с нагревом пробыДинамическая, мПа·сКАДАММ ВИС-ПТ, КАДАММ ВИС-ТУ
Низкая вязкость, строгая геометрия сдвигаКоаксиальные цилиндрыДинамическая, мПа·сКАДАММ ВИС-КЦ
Масла, топлива, прозрачные растворыКапиллярныйКинематическая, мм²/сАппараты для нефтепродуктов, КАДАММ ВИС-КВ
Лаки, краски, масла, оценка партииУсловная вязкостьСекунды, °ВУВискозиметры условной вязкости, КАДАММ ВИС-УВЭ

Когда методика опирается на конкретный стандарт, отталкивайтесь от него: стандарт задаёт геометрию, температуру и вид результата. Для ротационных приборов классов LV, RV и HB выбор пружины, шпинделя и диапазона описан в статье «Как выбрать ротационный вискозиметр», а подбор замены установленного прибора — в статье «Аналоги вискозиметров Brookfield DV2T и Fungilab». Если выбрать трудно, сообщите инженерам, какую пробу и в каком диапазоне вы измеряете, — мы предложим серию.

От чего зависит результат измерения вязкости

Один и тот же прибор в разных условиях показывает разные числа, и причина почти всегда в условиях, а не в приборе. Контролировать стоит четыре фактора.

Температура пробы

Вязкость большинства жидкостей при нагреве резко снижается: у масла даже несколько градусов меняют показание заметно. Поэтому измерение выполняют при заданной температуре, предварительно выдержав пробу в термостатируемой ванне или рубашке до выравнивания. Для жидкостного термостатирования подойдут жидкостные термостаты, для температур ниже комнатной — криостаты. Чем эти приборы различаются, сказано в статье «Криостат и термостат: в чём разница».

Скорость сдвига и подготовка пробы

Результат для неньютоновских жидкостей определяется скоростью сдвига. Две партии сравнивают на одном шпинделе и при одной скорости. Перед замером пробу осторожно перемешивают и дают отстояться, чтобы вышли пузыри — они занижают показание. Смолы и компаунды освобождают от воздуха вакуумом; подробности в статье «Вакуумная камера для дегазации компаундов и смол».

Заполнение и положение измерительного тела

Шпиндель опускают до метки, а стакан берут достаточного размера, чтобы стенки не влияли на сдвиг. Если эти условия нарушены, показания искажаются, и результат нельзя сопоставить с прежними измерениями.

Поверка и сличение

Градуировка приборов со временем смещается, и потому их проверяют по стандартным образцам вязкости с известным значением; порядок описан в статье «Поверка и калибровка вискозиметра, стандартные образцы вязкости». Результат, у которого не указаны метод, температура и условия, с чужим сравнивать нельзя.