Door naar hoofdmenu
Demystificering van niet-Newtonse viscositeit

Niet-Newtoniaanse vloeistofviscositeitsmeting met inline viscometer SRV

Veel, zo niet de meeste, vloeistoffen vertonen niet-Newtoniaans gedrag. Een vloeistof is niet-Newtoniaans wanneer de gemeten viscositeit afhangt van de afschuifsnelheid waarmee de meting wordt uitgevoerd.

1. Een korte introductie tot niet-Newtonse vloeistoffen

Viscositeit wordt gedefinieerd als de verhouding tussen schuifspanning en afschuifsnelheid wanneer een vloeistof wordt onderworpen aan uniforme afschuiving, schematisch weergegeven in figuur 1:

Fig.1 - Een Newtoniaanse vloeistof die wordt afgeschoven tussen twee parallelle platen

Fig.1: Een Newtoniaanse vloeistof die tussen twee parallelle platen wordt geschoven

Wanneer de weerstandskracht (schuifspanning) evenredig is met de snelheid van de onderste plaat (afschuifsnelheid), wordt de vloeistof Newtoniaans genoemd. De viscositeit is evenredig met de verhouding van de sleepkracht tot de snelheid. Daarom hangt de viscositeit niet af van hoe snel het wordt geschoren; de schuifspanning zal gewoon toenemen om gelijke tred te houden met de schuifsnelheid. Hoe groter de verhouding tussen schuifspanning en afschuifsnelheid, hoe hoger de viscositeit (de twee rechte lijnen in figuur 2 hieronder):

Fig.2 - Gedrag van Newtoniaanse en afschuifverdunnende vloeistoffen

Fig.2: Gedrag van Newtoniaanse en afschuifverdunnende vloeistoffen

Newtoniaanse en niet-Newtoniaanse vloeistoffen

Voor Newtoniaanse vloeistoffenAls u de kracht die u op de vloeistof uitoefent, wijzigt, verandert de viscositeit niet. De viscositeit blijft constant als de uitgeoefende kracht verandert. In een Newtoniaanse vloeistof de relatie tussen schuifspanning en afschuifsnelheid is lineair, gaat door de oorsprong, waarbij de evenredigheidsconstante de viscositeitscoëfficiënt is.

Niet-Newtoniaans vloeistoffen hebben viscositeiten die veranderen afhankelijk van de hoeveelheid kracht die op de vloeistof wordt uitgeoefend. De viscositeit verandert naarmate de uitgeoefende kracht verandert. In een Niet-Newtoniaanse vloeistof de relatie tussen de afschuifspanning en de afschuifsnelheid is anders en kan zelfs tijdsafhankelijk zijn (tijdsafhankelijke viscositeit) - een constante viscositeitscoëfficiënt kan niet worden gedefinieerd voor niet-Newtoniaanse vloeistoffen zoals mogelijk is voor Newtoniaanse vloeistoffen.

In het geval van niet-Newtonse vloeistoffen is het concept van viscositeit dat gewoonlijk wordt gebruikt in vloeistofmechanica om de afschuifeigenschappen van een vloeistof te karakteriseren, niet helemaal toereikend. In plaats daarvan worden ze het best bestudeerd door middel van verschillende andere reologische eigenschappen die betrekking hebben op spannings- en reksnelheid-tensoren onder veel verschillende stromingsomstandigheden die worden gemeten met verschillende apparaten of reometers.

Referentie - https://www.wikilectures.eu/w/Non-Newtonian_fluid (Afbeelding - Creative Commons-licentie)

Een soort niet-Newtoniaans gedrag dat veel voorkomt bij vloeistoffen is dat de gemeten viscositeit afneemt naarmate de afschuifsnelheid van de viscometer stijgt. Dit wordt afschuivingsgedrag genoemd. De verhouding tussen schuifspanning en afschuifsnelheid van een schuifverdunnende vloeistof begint hoog, maar wordt kleiner naarmate de afschuifsnelheid toeneemt. In Fig. 2 hierboven begint de kromme van de schuifkrachtverdunningsvloeistof tegen de afschuifsnelheidcurve parallel aan de vloeistof met hoge viscositeit en loopt parallel aan de vloeistof met lage viscositeit. De vloeistof wordt dunner, hoe sneller het wordt geschoren.

De meeste vloeistoffen vertonen een niet-lineaire relatie tussen schuifspanning en schuifsnelheid. Dat betekent dat de gemeten viscositeit afhankelijk is van het type viscositeitsmeter dat voor de meting wordt gebruikt. De SRV heeft een veel hogere afschuifsnelheid dan de meeste rotatie-, capillaire en efflux-cup-viscometers. Daarom zal de SRV vaak een aanzienlijk andere viscositeit vertonen dan een laboratoriumrotatie-instrument.

De volgende paragrafen beschrijven metingen van een typische afschuifverdunningsvloeistof en de implicaties voor inline metingen met de Rheonics SRV.

2. Viscositeitsmetingen van afschuivende materialen

Geconcentreerde wasoplossingen, zoals shampoos, afwasmiddelen en wasverzachters, vertonen doorgaans een dunner wordend gedrag. Wanneer een roterende viscositeitsmeter, zoals een Brookfield DV, wordt gebruikt om hun viscositeit te meten, neemt de aangegeven viscositeit af naarmate de rotatiesnelheid van de spil toeneemt. De volgende tabel, figuur 3, illustreert dit dunner wordend afschuifgedrag:

Brookfield-rotatie-viscometer3t
Fig. 3 - Aangegeven viscositeit vs. spilsnelheid van de viscositeitsmeter

Fig. 3 (a) Een typische roterende viscositeitsmeter - Brookfield DV3 (b) Aangegeven viscositeit vs. spilsnelheid van de viscositeitsmeter voor het zachter maken van textiel op een roterende viscositeitsmeter

Hoewel de afschuifsnelheid voor de meeste viscometers niet goed is gedefinieerd, kan worden aangetoond dat de afschuifsnelheid van trillingsviscometers, zoals de Rheonics SRV, meer dan honderd keer hoger is dan die van een typische Brookfield, Fann of andere roterende viscometer . Dat betekent dat de SRV werkt op de high-shear tail van de shear rate curve. De viscositeit die het aangeeft is aanzienlijk lager dan bij de meeste andere niet-vibrerende viscositeitsmeetprocessen.

Indien gemeten met een Rheonics SRV-viscositeitsmeter, geeft de wasverzachter een aangegeven viscositeit van 9.7 cPs. De veel lagere waarde is te herleiden tot hetzelfde fenomeen dat wordt gezien in figuur 1, de afname in viscositeit naarmate het spiltoerental toeneemt. Het materiaal is afschuifverdunning en de afschuifsnelheid van de SRV is ongeveer twee ordes van grootte hoger dan haalbaar is met typische roterende viscometers. Daarom is het onmogelijk om een ​​numerieke overeenkomst te krijgen tussen de SRV en rotatie viscometers, behalve voor strikt Newtoniaanse, dat wil zeggen afschuifsnelheid-onafhankelijke vloeistoffen.

Wat betekent dit voor toepassingen waarbij de vloeistof sterk afschuifafhankelijk is? Dat hangt sterk af van waar de SRV voor zal worden gebruikt.

Figuur 1. Inline-viscositeitsmeter (links) en geïnstalleerd in een stroomlijnadapter voor inline-toepassingen.

Afb. 4. Inline viscometer (links) en geïnstalleerd in een stroomlijnadapter voor inline toepassingen

Een typisch gebruik voor een inline viscometer is het controleren van de viscositeit van een product om te controleren of de viscositeit constant blijft. Procesparameters kunnen dan door de operator worden aangepast om de viscositeit binnen een gespecificeerd bereik te houden. In dat geval is het misschien mogelijk om een ​​conversieformule af te leiden waarmee de Rheonics SRV-metingen kunnen worden gecorreleerd met laboratoriummetingen met gedefinieerde afschuifomstandigheden.

Als alternatief kan de Rheonics SRV worden gebruikt als de sensor in een regelkring om automatisch een of meer procesparameters aan te passen om de viscositeit van het product binnen de gespecificeerde limieten te houden. Een typische toepassing is in flexografische of diepdrukmachines, waarbij de Rheonics SRV wordt gebruikt om de viscositeit van de drukinkt constant te houden.

In beide gevallen, wanneer zeer niet-Newtonse vloeistoffen, zoals producten die zeep en oppervlakteactieve stoffen bevatten, worden gecontroleerd of gecontroleerd, moet de SRV worden bediend in een vloeistof die langs de sensor stroomt. Het geeft geen reproduceerbare metingen als het simpelweg wordt ondergedompeld in een beker met product. Bij gebruik in een lijn die een vloeiend product bevat, geeft het een duidelijke en reproduceerbare respons op veranderingen in de viscositeit van het product.

Process Monitoring

Controleer de viscositeit van een product om te controleren of de viscositeit constant blijft.

procescontrole en

Sensor kan worden gebruikt in een regelkring om automatisch een of meer procesparameters aan te passen om de productviscositeit binnen gespecificeerde limieten te houden.

Grondstofcontrole

Voer kwaliteitscontroles uit op inkomende grondstoffen.

Eindproductcontrole

Zorg ervoor dat de kwaliteit van de eindproducten volledig voldoet aan de vastgestelde normen.

NOTITIE: Het stroomregime (consistentie) is belangrijk voor een betrouwbare en nauwkeurige bewaking van niet-Newtoniaanse procesvloeistoffen. Laat de vloeistof over de sensor stromen en zorg voor een consistent stroomregime door tijdens alle metingen een vergelijkbare vloeistofsnelheid en doorsnede te hebben.

3. Aanbevelingen voor het testen van de toepasbaarheid van Rheonics SRV op metingen met niet-Newtonse vloeistoffen

Bij het evalueren van de Rheonics SRV voor een bepaalde inline meting, is het essentieel om de SRV onder werkelijke procesomstandigheden te gebruiken. De SRV moet worden geplaatst in een proceslijn waarin het product stroomt, en de viscositeit en temperatuur moeten worden geregistreerd tijdens bedrijf van de proceslijn.

Het is absoluut essentieel dat de SRV NIET wordt beoordeeld op basis van statische metingen. Het plaatsen van de SRV in een bekerglas met stationaire vloeistof geeft doorgaans geen metingen die overeenkomen met metingen die in de feitelijke proceslijn zijn gedaan met debieten die typisch zijn voor de werking van dat proces.

Voor toepassingen waarbij het onduidelijk is of de Rheonics SRV bruikbare metingen zal opleveren, kunt u contact opnemen met Rheonics om een ​​proef van een van de SRV-sensoren in uw toepassing te regelen.

Sensor_Pipe_mounting

Fig. 5. Installatie van SRV & SRD in leidingen

Zoeken