Измерване на вискозитет

• Измерването и разбирането на вискозитета при различни температури е от съществено значение за формулирането на продуктите
  
  
• Тъй като вискозитетът не е постоянна физична величина, е важно да се познават вариращите параметри, които могат да повлияят на стойността при измерване
  
  
• Реометрите обикновено се използват за проучване на цялостното реологично поведение, но те са най-скъпият вариант и са сложни са за използване

Вискозитетът е важен параметър на течностите, определящ начина, по който те се разпространяват, изравняват нивото си и протичат при дадени условия. Той може да бъде дефиниран като вътрешното съпротивление на течността да тече. Измерването на вискозитета позволява да се прогнозира поведението на конкретната течност в процес или приложение. Когато се нанася боя с валяк например, вискозитетът на боята силно ще повлияе върху количеството, което трябва да се нанесе на единица площ. Затова е от ключово значение течните продукти да биват подлагани на измерване на вискозитета при входен или изходен контрол на качеството.

Какъв е вискозитетът на продукта ми

Този често задаван въпрос заслужава изясняване, защото един продукт може да бъде окачествен чрез няколко стойности на вискозитет. Кинематичният вискозитет се получава чрез измерване на времето, през което даден обем течност изтича под действието на гравитацията. Той се отнася за по-малко вискозни течности и просто реологично поведение – нютонови флуиди. Измерва се в стокс или cm2/s.

Динамичният вискозитет не зависи от плътността и най-често се измерва с ротационни инструменти. Той може да вземе предвид реологичното поведение на продукта, което му придава абсолютен характер. Тук мерните единици са Pa. S или поаз.

В областта на полимерите има други стойности за вискозитет като специфичен, характеристичен и относителен вискозитет, които позволяват да се изчисли средната вискозна моларна маса на тези полимери в разтвор.
Затова е важно ясно да се дефинира каква информация трябва да се събере преди да се пристъпи към измерване на вискозитета, което може да се окаже трудно или ненужно за по-доброто охарактеризиране на съответния продукт.

От какво зависи точното измерване на вискозитета

Тъй като вискозитетът не е постоянна физична величина, е важно да се познават вариращите параметри, които могат да повлияят на стойността при измерване. Температурата оказва огромно влияние върху вискозитета. При по-висока температура продуктът може да има изцяло различен вискозитет в сравнение със същия продукт при по-ниска температура. Вискозитетът отразява молекулярното поведение на съответната проба (размер, форма, взаимодействия, микроструктура) и следователно чрез вариране на температурата при измерванията може да се предостави информация относно микроструктурата на флуида.

Защо обаче вискозитетът се изменя с температурата? Според кинетичната теория молекулите/частиците се движат непрекъснато. Това движение зависи от температурата (и други фактори) под формата на топлинна и кинетична енергия, които определят скоростта на частиците. Повишаването на температурата ще увеличи енергията и следователно и скоростта на частиците. С нарастване на температурата вискозитетът намалява, защото движещите се по-бързо частици си взаимодействат за по-кратък период от време, редуцирайки вътрешното напрежение. Температурата влияе също и на взаимодействията на частиците. Например промяна в температурата ще окаже въздействие върху взаимодействието на частиците на разтвореното вещество и разтворителя. Тя ще окаже влияние и върху вътрешните, и върху междумолекулярните взаимодействия.

Измерването и разбирането на вискозитета при различни температури е от съществено значение за формулирането на продуктите. Драстични изменения на вискозитета с температурата могат да окажат силно въздействие върху сложни химични продукти като моторно масло, продукти за лична хигиена и храни (олио, сиропи, мед).

Повечето флуиди са ненютонови, което означава, че вискозитетът им е функция и от скоростта на срязване. Това трябва да се има предвид не само при измерване на вискозитета, но и при проектиране на изпомпващи, смесителни и разпръскващи системи. Поради тази причина при измерване се налага да се използват стандартни геометрии, при които скоростта на срязване е добре известна.

Времето е третата променлива, която трябва да се контролира за няколко вида продукти, защото вискозитетът има тенденцията да намалява, когато срязването е по-продължително. Този тиксотропен ефект е рядкост, но той може драстично да повлияе на процеса на измерване и точността на контрола на вискозитета.

Какви видове вискозиметри има

Повечето бои например са ненютонови течности, тоест вискозитетът им зависи от прилаганата скорост на срязване. Много бои имат по-нисък вискозитет спрямо вискозитета им при съхранение, когато се прилагат високи скорости на срязване, например при разбъркване или разпръскване.

При различните методи за измерване на вискозитет се прилагат различни скорости на срязване. Това може да доведе до получаване на различни стойности на измерения вискозитет на ненютонови бои при използване на различни методи на измерване. В някои случаи трябва да се отчете и зависимостта на вискозитета от времето, което е изминало след разбъркване. Измереният вискозитет на тиксотропните бои например ще зависи от това по какъв начин се борави с боята преди измерване, тъй като за определено време тя ще “помни” напрежението на срязване вследствие на това. Поради изброените причини е важно да се избере метод, който предоставя възпроизводима скорост на срязване при проверяването на качеството на продукта.

Реометрите обикновено се използват за проучване на цялостното реологично поведение. Въпреки че тези инструменти предоставят пълната картина, те са най-скъпият вариант, сложни са за използване, интерпретацията на данните изисква добре обучен персонал.

Ротационните вискозиметри са лесни за работа и най-често се използват за качествен контрол. Както реометрите, те предоставят възпроизводими и надеждни резултати и работят при скорости на срязване, които са най-подходящи за съответното приложение.

Обикновените ротационни вискозиметри са универсални и покриват широк диапазон от скорости на срязване и вискозитети. Те се използват като надежден и възпроизводим метод за измерване на относителен вискозитет за опростен контрол на качеството, но могат да се прилагат и за определянето на абсолютен вискозитет.

Вискозиметрите на Кребс са най-подходящи за бои, които ще се нанасят с четка или валяк, тоест за бои, които ще се нанасят със скорост на срязване от 10 до 100 s-1. Този тип вискозиметри обаче могат да се използват също и за други приложения, при които е необходим бърз, надежден и високо стандартизиран метод.
Коничните и пластинчатите вискозиметри често се използват при високи скорости на срязване и следователно дават възможност за контрол върху вискозитета на продукта по време на прилагането му, но могат да измерват и при скорости на срязване до 20 s-1. Пробите се тестват в дефинирана геометрия и инструментите могат да измерват вискозитети до 15 000 поаза.

Капилярните вискозиметри представляват U-образна стъклена тръба, откъдето идва и наименованието им. Процесът на измерване на вискозитета включва потапяне на стъклената тръба във вана с контролирана температура, обикновено 40 или 100°C. След това прецизно се отчита времето, измерено в секунди, за което определено количество течност преминава през тръбата между две конкретни точки. Това може да се осъществи чрез всмукване или благодарение на гравитацията. Получената стойност се умножава с константа, специфична за типа на използваната тръба, като така се изчислява кинематичният вискозитет (всмукване) или абсолютният вискозитет (гравитация).

Вискозиметричните чаши се предлагат на ниска цена и предоставят бърз начин за проверка на вискозитета. Основният резултат, който те предоставят, е времето на изтичане, от което може да се изчисли кинематичният вискозитет. Те трябва да се използват единствено за нютонови течности, тъй като са склонни към грешки при измерване например на тиксотропни бои, защото при тях измерената стойност може да зависи от боравенето с продукта преди измерването (разбъркване или изливане на продукта в чашата).

Избор на вискозиметър

Съществува широка гама от приложения за вискозиметрите и реометрите. Сред факторите, които трябва да се имат предвид при избора на инструмент за измерване на вискозитет, са: кой тип вискозитет ще се измерва – абсолютен, кинематичен или и двата; къде ще се провежда измерването – в лаборатория, в движение или някъде другаде; колко комплексни или различни ще са материалите, чийто вискозитет ще се измерва. По принцип реометрите са по-универсални и по-скъпи инструменти от вискозиметрите, но с тях може да се измерва вискозитетът и на ненютонови флуиди.

Ротационните вискозиметри се произвеждат в три различни обхвата на вискозитет, позволяващи измервания в широк диапазон. Първата стъпка при избора е да се определи диапазонът на вискозитет, който е близък до вискозитета на продуктите, които ще се измерват – той може да бъде нисък, среден или висок. С нисък вискозитет са например покрития на водна основа, сокове, течен сапун, вода за уста, разтворители, със среден – кремове, детергенти, лосиони, шампоани и балсами, с висок – шоколад, епоксидни смоли, гелове, греси, майонеза, фъстъчено масло и др.

След като се избере вискозиметър с обхват, близък до вискозитета на продукта, втората стъпка е да се избере шпиндел и скорост на въртене. Шпинделите позволяват да се измерва в целия обхват на вискозитет на съответния инструмент. Като цяло най-ниският обхват на вискозитет може да се измери с най-големия шпиндел при максимална скорост, а най-високият обхват може да се измери с най-малкия шпиндел при най-ниската скорост.

Защо е важен вискозитетът на хранителните продукти

Сред хранителните продукти най-проучван по отношение на вискозитета е шоколадът. Неговото реологично поведение е важно както при преработка, така и поради органолептични причини. То е сложно, тъй като редицата съставки – захар, какаово масло, какаови частици и млечни продукти, трябва да бъдат фино диспергирани. Вискозитетът има ключова роля, защото оказва влияние върху текстурата на продукта.

Измерването на вискозитета на шоколад е високоспециализиран процес и за постигането на точност е необходимо да се използва специфичен вид вискозиметър. Характеристиките на потока обикновено се описват с крива, за чието получаване е нужно да се направят измервания при различни скорости на въртене, за да се определят напреженията на срязване при различни скорости на срязване. Тестът обикновено се провежда при 40°C, като поддържането на температурата в тесен обхват е важно за осигуряването на точни резултати.

Вискозитетът е важен и при производството на печива. Тези продукти обикновено се състоят от няколко диспергирани фази като брашно, мазнина, вода и въздух. За да се предотврати разделянето на фазите при смесване, престой или в пещта, е необходимо вискозитетът да бъде достатъчно висок. При тестата за хляб вискозитетът в повечето случаи е достатъчно висок, за да се спре фазовото разделяне и да се задържи въздухът.

Ситуацията обаче е различна при по-малко вискозните смеси за вафли и други подобни продукти, при които може да се стигне до загуба на въздуха и разделяне на твърдите фази, което може да бъде катастрофално за качеството на крайния продукт. Смесите за кексове също трябва да бъдат достатъчно вискозни, за да се предотврати загубата на инкорпорираните в тях балончета, които поемат газа, получаващ се в резултат от набухвателите и парата. Ако тези балончета се загубят, бухването на сместа ще бъде ограничено. Както бе споменато, вискозитетът зависи от температурата, което означава, че при нагряването на сместа в пещта тя става по-малко вискозна. Възможно е фазово разделяне на компонентите с по-висока плътност, например гранули нишесте, и утаяването им на дъното на тавите.

Качеството на храни като супи, сосове, десерти, печива и др. зависи силно от структуроформиращите свойства на съставки като нишесте например. След като нишестето се обработи топлинно, гранулите се раздуват и могат да станат нестабилни и да се разрушат при срязващо напрежение и нисък вискозитет. Това може да има катастрофални последствия върху вискозитета и ядивните характеристики на хранителния продукт.
Поради тези причини контролирането и измерването на вискозитета в хранително-вкусовата промишленост са изключително важни. За целта е наличен набор от техники за измерване – от прости, бързи за изпълнение тестове до такива за по-цялостно охарактеризиране.