Вискозиметрия

ВИСКОЗИМЕТРИЯ (от лат. viscosus - клейкий, вязкий и греч. metred - измеряю), совокупность методов измерения вязкости жидкостей и газов. При абс. измерениях проводят независимые параллельные определения касательного напряженияи скорости сдвига при течении исследуемой среды; вязкостьвычисляют по ф-ле При относит. измерениях результаты определения параметра, зависящего от вязкости, сравнивают с результатом, полученным при аналогичной процедуре определения того же параметра для жидкости (или газа) известной вязкости. В случае неньютоновских жидкостей определяемая величина наз. эффективной или кажущейся вязкостью (т.к. она зависит от и). При этом измерения необходимо выполнять при разл. скоростях деформации. Ниж. предела изменения скорости не существует; верх. предел связан с возникновением неустойчивости потока, напр. для маловязких сред - с появлением инерц. турбулентности, для полимерных систем - с упругими деформациями.

Вискозиметрия основывается на двух эксперим. принципах: измеряется сопротивление движению, обусловленное вязкостью среды, либо при протекании исследуемого в-ва в канале той или иной геометрич. формы, либо при движении твердого тела в среде, вязкость к-рой определяют. наиб. распространены капиллярная, ротационная, вибрационная вискозиметрия, метод падающего шарика, пенетрация и пластометрия.

В капиллярной вискозиметрии измеряют перепад давления между концами капилляра и соответствующую объемную скорость истечения Q при ламинарном течении исследуемой жидкости через капиллярный канал длиной L c известной и постоянной формой поперечного сечения. Обычно применяют цилиндрич. трубку с внутр. радиусом R. Вязкость рассчитывают по ф-ле Гагена - Пуазейля: . Реже используется плоскощелевой канал шириной b и высотой; тогда , Для ньютоновской жидкости= const и, следовательно,= const; для неньютоновской жидкости эффективная вязкость зависит от условий эксперимента. Обычно измеряют Q при = const (метод постоянного давления) либо при Q = const (метод постоянного расхода), хотя есть приборы, в к-рых в ходе эксперимента непрерывно изменяется как , так и Q. При измерении вязкости газов учитывают изменение давления вдоль капилляра (в случае практически несжимаемых жидкостей влиянием давления можно пренебречь).

Часто используют вариант капиллярной вискозиметрии, в к-ром характеристикой вязкости служит продолжительность истечения определенного (стандартизованного) объема жидкости под действием собственного веса через калиброванный капилляр. С помощью этого метода определяют вязкость нефтепродуктов, молекулярную массу полимеров и т.д. Поскольку сопротивление протеканию среды по капилляру зависит не только от ее вязкости, в ф-лы, используемые для расчета, вводят поправки, к-рые учитывают возможные погрешности, связанные, напр., с изменением кинетич. энергии струи, с накоплением упругой энергии, разогревом системы.

В ротационной вискозиметрии измеряют крутящий момент М и угловую скорость вращения В одном из осн. вариантов метода слой исследуемой жидкости высотой Н находится между двумя коаксиальными цилиндрами с внутр. радиусами R_i и R_о (R_i < R_o)к-рые вращаются один относительно другого. Вязкость вычисляется по ф-ле Маргулеса: , где=R₀ /R_i. Обычно зазор между цилиндрами мал [(R₀ — R_i)/R₀1], что обеспечивает однородность условий деформирования в исследуемом образце. В этом осн. преимущество ротационной вискозиметрии перед капиллярной, поскольку в капилляре неизбежно распределение скоростей и напряжений по радиусу канала. Если наружный цилиндр отсутствует , вязкость вычисляют по ф-ле:. Образец можно помещать также между конусом и плоскостью, между двумя конусами или сферами. Для ньютоновских жидкостей= const. При расчетевводят всевозможные поправки, в первую очередь на краевые эффекты.

Вибрационная вискозиметрия основана на измерении сопротивления колебательному (с постоянной частотой) движению тела в исследуемой среде. Часто определяют скорость затухания колебаний (или интенсивность поглощения энергии колебаний). Этот метод особенно удобен для измерения вязкости расплавов металлов и солей при высоких т-рах и других сред, в к-рых колебания затухают сравнительно медленно.

В лаб. практике распространен простой метод падающего шарика, основанный на измерении скорости U равномерного падения шарика в исследуемой среде. Вязкость вычисляют по ф-ле Стокса: где d_l и d₂- соотв. плотности материала, из к-рого изготовлен шарик, и среды, R - радиус шарика,-ускорение своб. падения. При этом необходимо вводить поправки на инерц. эффект и на влияние стенок сосуда, в к-ром производятся измерения. В разл. вариантах этого метода вместо шарика используют тела иной формы (напр., цилиндр), исследуют не своб. падение, а скатывание шарика по стенке цилиндрич. трубки (относит. метод). Метод особенно удобен для измерения вязкости под давлением.

Для измерения вязкости высоковязких сред применяют методы пенетрации и пластометрии. В первом случае в среду вдавливают твердое тело (напр., конус, цилиндр, сферу) и по скорости его движения или величине приложенного усилия судят о вязкости. В методах второй группы исследуют: сдвиговое течение жидкости между двумя плоскопараллельными пластинками, смещающимися одна параллельно другой; растекание жидкости при сдавливании двух плоскопараллельных пластинок ("сжимающие пластометры"); т. наз. телескопич. сдвиг, состоящий в том, что исследуемую жидкость помещают между соосными цилиндрами, один из к-рых движется вдоль их общей оси. Во всех пластометрич. методах о вязкости судят по отношению силы, вызывающей движение твердого тела, к скорости его движения.

Для высоковязких неньютоновских сред измеряют также продольную вязкость, равную отношению растягивающего напряжения к градиенту скорости при одноосном растяжении образца. В случае ньютоновских жидкостей нет необходимости специально определять продольную вязкость, т.к. для них выполняется закон Трутона:

Очень широкий диапазон значений вязкости (от ~ 10^-5 Па*с у газов до ~10¹² Па*с у стеклующихся жидкостей), необходимость выполнения измерений при разных т-рах и давлениях, а также для сред с разл. св-вами (сжиженные газы, агрессивные к-ты и щелочи, расплавленные металлы и соли, полимеры, коллоидные системы и др.) обусловливают огромное разнообразие конструкций вискозиметров. Вискозиметрия часто сочетается с измерениями др. реологич. св-в жидкостей (см. Реология).

При прецизионных измерениях вязкости погрешность может составлять 0,1%; в большинстве случаев погрешность ~ 1%; в техн. приложениях допускаются еще более грубые измерения. Поверку вискозиметров (т.е. установление правильности градуировочных характеристик или их возобновление) обычно проводят с помощью относит. измерений с использованием стандартных жидкостей известной вязкости. наиб. точный эталон в вискозиметрии - дистиллированная вода, вязкость к-рой при 20 °С составляет 1,002 мПа*с.

===
Исп. литература для статьи «ВИСКОЗИМЕТРИЯ»: Малкин А. Я., Чалых А. Е., Диффузия и вязкость полимеров. Методы измерения, М., 1979. А. Я. Малкин.

Страница «ВИСКОЗИМЕТРИЯ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.

• вискозиметрия - Коллоидная химия, В.А. Волков