Вискозиметрия

Вязкость определяется как процесс трения внутренних частей (слоев) жидкостей/газов. При рассмотрении вязкости жидких субстанций она проявляется наилучшим образом при перетекании жидкости из одного места в другое.

Количественное определение данного свойства – это динамическая вязкость/коэффициент внутреннего трения. Обозначается величина символами n или u. Трение данного типа характеризуется тем, что его можно наблюдать по всему объему жидкости.

Международная система единиц (СИ) определяет динамическую вязкость как паскаль, помноженный на секунду (Па*с), которая показывает вязкость при упорядоченном движении жидкости, а также разнице скоростей движения слоев (расстояние по нормали к скорости 1 м/с составляет 1 метр и равняется 1 Па).

Другой параметр – кинематическая вязкость, представляет собой отношение динамического показателя к плотности среды. (При условии, что температура будет одинакова.)Формула кинематической вязкости

Система единиц СИ определяет показатель как метр в квадрате за одну секунду времени (м²/с). При значении, равном единице, динамическая вязкость будет равна одной паскаль-секунде (при плотности 1 кг/м³).

Существует несколько способов определения вязкости, по причине большого количества значений данного показателя (кроме перечисленных, также встречается определение относительной либо условной вязкости вещества). В связи с этим отличается и конструкция приборов для ее определения (вискозиметров).

Виды вискозиметров

Существует несколько типов данного прибора. Их различие заключается в способах проведения измерений. Выделяют такие виды оборудования:

• Капиллярные, которые состоят из трубок. Они измеряют время, за которое жидкость проходит сквозь данные трубки. Чаще всего прибор используется в химических лабораториях.
• Шариковые измеряют скорость, с которой шарик падает внутри жидкости. Время падения обратно пропорционально вязкости вещества.
• Ротационные приборы используются при работе с высокомолекулярными веществами, а также при измерении вязкости растворов полимерных субстанций. Работа прибора представляет собой вычисление показателя крутящего момента. Два объекта, лежащие на одной оси (в зазоре между ними находится вещество, вязкость которого необходимо определить), подвергаются вращению одного из них. При этом вычисляется крутящий момент.
• Вибрационные приборы показывают частоту и амплитуду колебания тела, помещенного в испытуемую жидкость.
• Вычисление показателей при использовании устройств ультразвукового типа используется следующий метод: в жидкость помещают магнитострикционный материал и проводят замеры скорости, с которой происходит затухание колебаний.

Основным условием для проведения исследований любым из видов оборудования является строгое термостатирование.

Кинематическая вязкость: способ определения

На практике чаще всего встречается измерение именно этого типа вязкости.

Калибровка приборов

Каждый прибор, независимо от степени его износа, должен подвергаться процессу калибровки, который проводится в определенный промежуток времени. Чтобы провести процесс, требуется перегнать эталонную жидкость через прибор и определить время ее прохождения.

Перед тем как проводить калибровку, аппарат тщательно промывается. Для этого используются последовательно следующие вещества:

1. Петролейный эфир;
2. хромовая смесь;
3. дистиллированная + водопроводная вода;
4. спирт и диэтиловый эфир.

После окончания процесса промывания, вискозиметр продувается чистым воздухом (прибор должен быть сухим).

Для примера используем вискозиметр, изображенный на рисунке ниже.

Процесс калибровки проходит так:

1. Резиновый шланг с грушей надевается на трубку.
2. Пальцем зажимается колено (на рисунке обозначено цифрой 2).
3. Прибор переворачивается и отверстие колена (цифра 1 на рисунке) опускается в емкость, которая содержит эталонную жидкость.
4. Посредством груши всасывают колено в прибор, а затем извлекают его из жидкости.
5. Шланг с трубки отвода (цифра 3) удаляется.
6. Трубка надевается на колено (№1), а прибор погружается в жидкостной термостат до полного погружения расширения (№4).
7. Зажимом, расположенным на штативе, закрепляют прибор в вертикальном положении.
8. На втором зажиме закрепляется термометр в таком положении, чтобы его шарик находился на одинаковом уровне с капилляром (№6).
9. Вискозиметр держать в течение 15 минут при температуре 20 ±0,2 °С, не меняя его положения.

Завершающий этап состоит в том, чтобы грушей поместить жидкость в колено (№1) до трети его высоты и дать веществу самостоятельно опуститься в расширение (№5). После достижения метки (М1 на рисунке) запускается секундомер, который останавливают по достижении метки (М2). После четырехкратного повторения процедуры прибор промывается, высушивается. Затем действие повторяется еще четырежды.

Все показатели записываются, и определяется среднее время. При разнице между двумя опытами менее 0,3% определяется среднее арифметическое и вычисляется постоянная по следующей формуле:

Определение показателя вязкости

Процесс определения вязкости определенного вещества проходит также как и калибровка прибора. Отличие заключается лишь в зависимости температуры и времени предварительной выдержки. Если при температуре 20 градусов выдержка прибора составляет 10 минут, то при повышении до 100 °С она увеличивается вдвое.

Точность средней величины времени прохождения вещества вычисляют до точности, равной 0,1. Вязкость кинематическая определяется по формуле:

Измерение величины динамической вязкости для растворов полимерных соединений (в соответствии с ГОСТ 18249-72)

Вискозиметр подбирается в соответствии с концентрацией раствора вещества. Время его истечения должно соотноситься со временем прохождения растворителя в пределах от 1,2 до 1,6. Технические условия на полимер содержат информацию о величине его навески, выборе рекомендованного растворителя и его количество, а также условия растворения данного полимера.

Чтобы определить вязкость при помощи прибора типа ВПЖ-2, используют растрворы четырех различных концентраций, для ВПЖ-1 достаточно одной.

Концентрация определяется:

Далее проводится термостатирование в течение 15 минут, после чего определяется время, за которое истекает растворитель (Т₀). Процедура повторяется три раза, затем вычисляется среднее арифметическое (не должно превышать 0,4 секунды).

Формула вычисления показателя динамической вязкости:

Условная вязкость: способ вычисления

Данная величина определяется в нефтяной промышленности, а также при проверке красок и лаков. Используется для веществ, вязкость которых не определяется при проведении процедуры приборами капиллярного типа. Вязкость некоторых продуктов нефтяной промышленности считается в условных единицах.

Это число определяется как время прохождения 200 мл воды (среда должна быть дистиллированной) через вискозиметр типа ВУ (t должна составлять 20 градусов), называется условной вязкостью и измеряется в условных градусах (обозначение данного параметра – Вуt).

Измеряется данный показатель при помощи прибора ВУ-4 (изображен на рисунке выше). Структура изделия следующая:

• Емкость, с расположенной на дне трубкой (№8 на рисунке).
• Данную емкость располагают в сосуде (№ 2), который выполняет функцию водяной бани.
• Данный резервуар накрывается крышкой, имеющей 2 отверстия, в первое вставлен стержень (материал стержня – дерево, на рисунке № 6), при его помощи закрывается трубка (№ 8).
• Второе отверстие с термометром (№ 4).
• Внутренняя часть первого резервуара содержит три штифта (№5), равноудаленных от дна.
• Предназначены они для определения уровня вещества, которое исследуется, также штифты позволяют установить вискозиметр горизонтально.
• В резервуаре снаружи: изделие для перемешивания (№7) и термометр со шкалой от 10 до 110 °С и ценой деления 1 °С.

Устанавливается изделие на треногу (№ 10), две ножки которой снабжены винтами (№9). Также здесь имеется горелка для создания необходимой температуры термостатирующего вещества. Иногда вискозиметр комплектуется терморегулирующим приспособлением.

В наборе также: специальная колба, калиброванная при 20 °С на 200 мл. Она необходима, чтобы измерять количество жидкости, которая вытекает из изделия.

Определяем водное число в аппарате типа ВУ

Резервуар внутри прибора промывают диэтиловым/петролейным эфиром, этиловым спиртом и дистиллированной водой. Процедуру необходимо производить последовательно, используя каждое из перечисленных веществ.

Далее происходит высушивание прибора посредством воздуха. Выходное отверстие (на рисунке под № 3) закрывается с помощью стержня (№ 6). Затем резервуар прибора заполняется водой (используют очищенную воду) практически до полного скрытия штифтов под водой. При этом температура жидкости должна составлять 20 ±0,2 °С.

Второй сосуд также должен быть заполнен водой одинаковой температуры. Под сточной трубкой (№8) на внутреннем резервуаре устанавливают колбу. Затем поднимается стержень (№6) и вода из резервуара перемещается в подставленную емкость без проведения замеров времени прохождения.

 Трубка под номером 8 также полностью должна быть заполнена водой (на ее нижнем конце образуется капелька воды). Вода выливается обратно в резервуар, после того как конец стержня номер 6 опускается в отверстие №3. Делать это необходимо, пользуясь палочкой из стекла (по ней пропускается жидкость).

Пустая колба держится «вверх ногами» над резервуаром на протяжении 2х минут, затем подставляется под сточную трубку.

Вода из внутренней и внешней емкости перемешивается. В течение 5-ти минут измеряется температура жидкости. Если она находится в пределах 20 градусов с возможным отклонением не более ±0,2 °С, запускают секундомер и одновременно поднимают стержень, пуская воду в прибор.

Процедура с замером времени прохождения воды через прибор должна повториться четырежды. Нормальным показателем считается 51 ±1 с.

Процедура вычисления показателя

Необходимо в обязательном порядке перед применением прибора промыть и высушить резервуар (№1).

Для начала процедуры закрываем отверстие для стока и помещаем в резервуар вещество для испытания. Перед этим оно должно быть прогретым до температуры, немного превышающей показатель определения.

Жидкость должна быть налита чуть выше штифтов номер пять.

2-ая емкость заполняется водой (при определении вязкости до 80 °С) или вазелиновым маслом. Вещества также должны быть нагреты немного больше необходимого уровня.

Немного приподнимая стержень перекрывающий проход жидкости, выбираем уровень вещества, необходимый для проведения процедуры.

Устанавливаем под прибором колбу для стока на 200 мл, проворачиваем крышку вискозиметра с расположенным на ней термометром вокруг стержня.

После того как показания термометра установились на необходимой отметке, выжидаем пять минут, вытаскиваем стержень и запускаем учет времени (делать это нужно одновременно). Показатели времени записываются с точностью до 0,2.

Вязкость условную в условных градусах вязкости вычисляют по формуле: