Viskosimeter

Die Viskosität beschreibt die Fließfähigkeit von Fluiden, also von flüssigen und gasförmigen Substanzen. Sie kann mit einem Viskosimeter bestimmt werden. Je höher die Viskosität einer Substanz ist, desto träger reagiert sie. Sollen Substanzen mit hoher Viskosität bewegt oder mit anderen Substanzen gemischt werden, muss also mehr Energie aufgewandt werden. Um die Viskosität von Proben vergleichen zu können, wurden verschiedene Viskosimeter entwickelt, die Größen messen, die im Zusammenhang mit der Fließfähigkeit stehen. Bei der Anwendung dieser Viskosimeter muss darauf geachtet werden, dass sich nicht jede Messmethode für alle Messbereiche der Viskosität eignet. Außerdem muss berücksichtigt werden, dass die Viskosität einer Substanz immer abhängig von der Temperatur ist und sich auch durch Krafteinwirkungen ändern kann.

Die Viskosität lässt sich auch als Widerstand der fließfähigen Substanz gegen eine Änderung der Position seiner Volumenteilchen beschreiben. Dabei können die Teilchen sich gegenseitig mehr oder weniger beim Ortswechsel behindern. Kugelförmige Teilchen behindern sich weniger als scheibenförmige oder unregelmäßige. Linear angeordnete Moleküle gleiten leichter aneinander vorbei als verzweigte und kleine Moleküle leichter als große. Auch die steigende Anzahl an Vernetzungen erschwert die Verschiebung der Teilchen untereinander.

Mit einem Viskosimeter kann entweder die dynamische oder die kinematische Viskosität bestimmt werden. Die dynamische Viskosität η [Eta] ist definiert über die Schubspannung und den Geschwindigkeitsgradienten senkrecht zur Strömungsrichtung. Sie wird in Pascalsekunden (Pa·s) bzw. nach dem CGS System in Poise (P) gemessen. Ein Poise entspricht dabei 0,1 Pascalsekunden. Anstelle der Pascalsekunde (Pa·s) kann im Internationalen Einheitensystem auch Newtonsekunde pro Quadratmeter (N·/m²) oder Kilogramm pro Meter und Sekunde (kg/(m·s))eingesetzt werden. Die kinematische Viskosität ν (Ny) ergibt sich aus dem Quotienten von dynamischer Viskosität und Dichte einer Substanz. Sie wird in m² pro Sekunde (m²/s) angegeben oder nach dem CGS-System in Stokes. Ein Stoke entspricht 0,0001 m² pro Sekunde. Mit genormten Auslaufbechern wird beispielsweise die kinematische Viskosität ermittelt. Die dynamische Viskosität ergibt sich, wenn die kinematische Viskosität mit der Dichte der Substanz multipliziert wird.

Zur Vereinfachung der Planung von Transport und Verarbeitung können Fluide als niedrig-, mittel- und hochviskose Substanzen klassifiziert werden. Diese Einteilung erleichtert die Zuordnung zu geeigneten Leitungs- und Dosiersystemen. Die Grenzen liegen bei etwa 300 Millipascalsekunden für den Übergang zwischen niedrig- und mittelviskosen Substanzen und bei etwa 8.000 Millipascalsekunden als Untergrenze für die hochviskosen Substanzen. Genormte Auslaufbecher sind als Viskosimeter nur für niedrigviskose flüssige Substanzen geeignet. Für zähflüssige Materialien können Viskosimeter mit rotierenden Messspindeln Messspindeln und regelbarer Geschwindigkeit eingesetzt werden. Für einige Substanzen eignen sich auch Viskosimeter bei denen die Messung über das Aufsteigen der Substanz in dünnen Röhrchen erfolgt. Spezielle Formen dieser Viskosimeter mit Kapillaren wurden nach Ubbelohde und nach Cannon und Fenske benannt. Außerdem gibt es Viskosimeter, bei denen die Ausbreitung der Probe in einer waagerecht positionierten Messwanne erfasst wird. Bei diesem Verfahren wird gemessen, wie weit die Probe in einer definierten Zeitspanne auf dem skalierten Wannenboden fließt. Eingesetzt werden diese nach Bostwick benannten Viskosimeter vor allem in der Lebensmittelindustrie zur Bestimmung von Konsistenz, Viskosität oder Fließrate von Soßen, Suppen, Ketchup oder Marmeladen.

Die Entscheidung für einen bestimmten Typ Viskosimeter sollte vor allem vom Zweck der Viskositätsmessung abhängig gemacht werden. Für viele Anwendungen sollen Flüssigkeiten, Pasten und Gele bei geringer Scherbeanspruchung eine hohe Viskosität aufweisen, um das Absetzung von Inhaltsstoffen zu verhindern. Bei hoher Scherbeanspruchung sollen sie jedoch dünnflüssiger werden, damit sie sich besser mischen und als gleichmäßig dünner Film auf Oberflächen aufbringen lassen. Für diese Substanzen sollte das Viskosimeter in der Lage sein, die Viskosität bei variablen Scherspannungen und Temperaturen zu ermitteln. Digitale Viskosimeter mit einem Set an Rotationsspindeln, verstellbarer Geschwindigkeit und Temperaturmessung erlauben die Erstellung detaillierter Kurven zum Viskositätsverlauf.

Die Auslaufbecher zur Viskositätsmessung sind Hohlkörper mit genormten Formen und Abmessungen. Bei gleicher Form gibt es für die untere Öffnung meist verschiedene Normgrößen. Diese Art Viskosimeter wird häufig zur Ermittlung der Auslaufzeit und der Viskosität von Farben, Lacken und sonstigen gut fließfähigen Produkten genutzt. Farben zur Verarbeitung in Spritzpistolen können beispielsweise nur bis zu einer bestimmten Viskosität verarbeitet werden. Die Messungen können sowohl am Endprodukt als auch an Proben aus dem Produktionsprozess durchgeführt werden. Je niedriger die Viskosität, desto schneller fließt die Substanz aus dem Auslaufbecher. Diese Zeit – die Auslaufzeit – steht in direktem Zusammenhang mit der Viskosität. Diese Art der Viskosimeter erlaubt zwar Messungen bei unterschiedlichen Temperaturen, aber keine reproduzierbaren Versuche unter Einwirkung zusätzlich eingetragener Scherkräfte. Aus den Auslaufzeiten wird über feste Faktoren die kinematische Viskosität berechnet und aus dieser mit der materialspezifischen Dichte die dynamische Viskosität.

Viskosimeter als Auslaufbecher nach DIN 53211 (im Oktober 1996 zurückgezogen)
Diese Becher haben einen Volumeninhalt von 100 ml, eine kegelförmige Verjüngung und eine festen Auslauf mit Durchmesser 4 mm. Sie sind meist aus eloxiertem Aluminium und haben eine innen polierte Düse aus rostfreiem Stahl. Der Becher wird randvoll gefüllt und dann wird die Zeit bis zum Abreißen des Ablaufstrahls gestoppt. Messungen außerhalb des Bereiches von 25 bis 150 Sekunden sollten nicht gewertet werden. Für Anwender die von der Messung nach der bereits 1996 zurückgezogenen DIN 53211 auf die gültige DIN EN ISO 2431 umstellen, gibt es Umrechnungstabellen für die Auslaufzeiten.

Auslaufbecher nach DIN EN ISO 2431, ASTM D 5125
Auch die internationale Norm ASTM D 5125 (2010) - Viskositäts-Prüfverfahren für Anstrichstoff und verwandte Materialien mit Hilfe von ISO-Auslaufbechern - beschreibt ein Verfahren zur Viskositätsmessung mit einem Auslaufbecher. Durch andere Innenmaße, einen größeren Einlaufkegel und eine längere Düse, für die vier verschiedene Durchmesser definiert sind, wird der Messbereich erweitert. Die Auslaufzeiten sollten bei diesen Bechern zwischen 25 und 100 Sekunden liegen. Anderenfalls kann der Becher mit der nächstgrößeren bzw. kleineren Öffnung gewechselt werden. Die Auslaufzeiten verschiedener Becher dürfen aber erst nach Umrechnung verglichen werden.
ISO Becher mit 3 mm Auslauf für Viskosität 10 bis 40 mm²/s ISO Becher mit 4 mm Auslauf für Viskosität 25 bis 130 mm²/s ISO Becher mit 5 mm Auslauf für Viskosität 70 bis 360 mm²/s ISO Becher mit 6 mm Auslauf für Viskosität 130 bis 700 mm²/s

Ford-Auslaufbecher nach ASTM D 1200
In der Norm ASTM D 1200 (2010) - Bestimmung der Viskosität von Anstrichstoffen und Lacken; Verfahren mit dem Ford-Becher – wird eine weitere Form von Auslaufbechern beschrieben. Die Auslaufzeit soll hier zwischen 20 und 100 Sekunden betragen. Die messbaren kinematischen Viskositäten sind folgendermaßen begrenzt:

Ford-Becher Nr. 2 mit 2,53 mm Auslauf für Viskosität 25 bis 120 mm²/s
Ford-Becher Nr. 3 mit 3,40 mm für Viskosität 40 bis 220 mm²/s
Ford-Becher Nr. 4 mit 4,12 mm Auslauf für Viskosität 70 bis 370 mm²/s

Bei einem rotierenden Viskosimeter wird der Drehstab bzw. die Spindel in die Probe getaucht und durch einen Motor in Drehbewegung versetzt. Je zähflüssiger die Substanz ist, desto mehr Kraft muss aufgewendet werden, um eine gleichbleibende Drehgeschwindigkeit zu halten. Da auch die Form der Spindel großen Einfluss auf den Kraftaufwand für die Drehbewegung hat, wurden verschiedene Spindelformen für die Viskosität unterschiedlicher Substanzen entwickelt. Diese Viskosimeter mit rotierender Spindel können aufgrund ihrer Merkmale für verschiedene Aufgabenstellungen zur Ermittlung der dynamischen Viskosität eingesetzt werden.

Bei konstanter Drehzahl und mit Spindeln, die konstante Schergeschwindigkeiten in die Probe einbringen, kann untersucht werden, ob die Viskosität der Substanz steigt oder sinkt, je länger die Spindel gedreht wird. Thixotrope Stoffe verflüssigen sich bei längerem Rühren, rheopexe Stoffe werden dicker. Beobachtet man solch ein zeitabhängiges Ansteigen oder Absinken der dynamischen Viskosität, ist das unbedingt bei der Festlegung der Versuchsdurchführung und bei der Auswertung der Messungen zu berücksichtigen. Sonst sind keine brauchbaren Ergebnisse zu erzielen.

Viele rotierende Viskosimeter bieten die Möglichkeit, unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten für die Spindel einzustellen. Misst man einmal mit niedriger und danach mit höherer Geschwindigkeit, lässt sich schnell feststellen, ob die Viskosität einer Substanz sich ändert, wenn höhere Scherkräfte eingetragen werden.

Moderne Rotationsviskosimeter gibt es mit unterschiedlichsten Ausstattungen optimiert für Messungen an Proben im Labor oder vor Ort an Produktionsanlagen oder Lager- oder Transportbehältern. Für Messungen im Labor werden oft Viskosimeter mit Standfuß verwendet, bei denen die Probe in ein Becherglas gefüllt wird. Für Messungen vor Ort kann die mit flexiblem Kabel versehene Drehspindel in vorhandene Behälter eingebracht werden. Häufig verfügen diese Viskosimeter über eine integrierte Temperaturmessung oder über die Möglichkeit, einen Temperatursensor anzuschließen. Viskosimeter für explosionsgefährdete Bereiche z. B. in der chemischen Industrie und in der Mineralölbranche sind speziell geschützt und verfügen über eine ATEX Zulassung.