Come scegliere un viscosimetro per analisi liquidi

I viscosimetri sono strumenti che misurano il flusso e la viscosità dei liquidi. La viscosità di un liquido può influire sulle sue prestazioni, sia che si tratti di pompaggio o di tubazioni, o di come si comporta per immersione e rivestimento. La misurazione della viscosità, quindi, si applica a un’ampia gamma di materiali, tra cui: olio, plastica, vernici, rivestimenti, adesivi, cera, asfalto. La misurazione della viscosità e delle proprietà di scorrimento si applica anche alla produzione di articoli di consumo familiari come cibi e bevande, dentifricio, cosmetici e shampoo.

Cosa fa un viscosimetro?

I viscosimetri misurano la viscosità e le proprietà di flusso dei liquidi e hanno un’ampia varietà di applicazioni, misurando queste proprietà in diverse sostanze e materiali.

Esempi di queste applicazioni includono:

  • Monitoraggio della viscosità di marmellate e sciroppi nella produzione di condimenti alimentari, per garantire la coerenza dei lotti
  • Analisi delle proprietà di flusso del latte durante la progettazione di sistemi di tubazioni per esso
  • Misurare il flusso dell’olio motore in condizioni di temperatura diverse
  • Verifica della viscosità degli inchiostri per stampanti a getto d’inchiostro.

La viscosità è importante nella lubrificazione delle macchine. Se è troppo basso, ci sarà troppo contatto, e quindi usura, tra i componenti interni. Se è troppo alto, può costringere la macchina a lavorare di più, per superare la resistenza interna del lubrificante al flusso.

Perché è importante misurare la viscosità?

Le condizioni di processo dei materiali sono importanti, sia nella loro produzione che per il loro utilizzo finale. La viscosità di un materiale è anche un’utile misura indiretta delle sue proprietà, come il peso molecolare e la densità. Queste proprietà del materiale possono influenzare il comportamento del flusso.

La misurazione della viscosità è una parte preziosa del controllo di qualità e della coerenza del lotto. È anche importante misurare la viscosità perché non tutti i fluidi si comportano allo stesso modo. In generale, ci sono due tipi di fluidi: newtoniani e non newtoniani.

Il newtoniano si riferisce alla legge della viscosità di Newton, che è la formula stabilita per misurarla. Nei fluidi newtoniani, la viscosità rimane costante, indipendentemente dalle modifiche alla velocità di taglio. Esempi di tipici fluidi newtoniani includono acqua e olio per motori.

Ma, nei fluidi non newtoniani, la viscosità oscilla.  Un esempio quotidiano di un fluido non newtoniano è il ketchup, che, quando agiti la bottiglia, diventa più liquido. Il ketchup ha proprietà di assottigliamento al taglio, perché la sua viscosità diminuisce all’aumentare dello stress di taglio.

I vari tipi di viscosimetri

Esistono due metodi di base per misurare la viscosità: o un oggetto passa attraverso un materiale stazionario, oppure il materiale scorre attraverso o oltre un oggetto stazionario. Con entrambi i metodi, si registra il tempo necessario affinché l’operazione avvenga, che misura la resistenza al flusso.

Utilizzando uno di questi due metodi, esistono vari tipi di viscosimetro:

  • Viscosimetro capillare o di vetro
  • Viscosimetro rotazionale
  • Sfera in caduta e viscosimetro a pistone in caduta.

I viscosimetri misurano la viscosità newtoniana. Esistono anche reometri per misurare la viscosità non newtoniana e che lo fanno utilizzando più parametri.

I viscosimetri a sfera che cadono misurano le viscosità sia dei liquidi che dei gas in base al tempo impiegato dalla gravità per tirare una sfera attraverso un tubo. Questo design consente a questi strumenti di funzionare in un’ampia gamma e con risultati riproducibili. Le tazze di viscosità utilizzano la gravità per consentire a un fluido di fluire attraverso un orifizio a una temperatura specificata. Il flusso del fluido nel tempo viene utilizzato per calcolare la viscosità.

I consistometri sono trogoli metallici con graduazioni che misurano i materiali viscosi mentre scorrono in pendenza sotto il loro stesso peso. I consistometri vengono utilizzati principalmente per misurare la viscosità della vernice e funzionano bene anche per sciroppi, gelatine, salse e cosmetici.

Utilizzati per metodi di prova conformi alle linee guida ASTM, i viscosimetri capillari in vetro (noti anche come viscosimetri di Ostwald) vengono utilizzati con bagni di viscosità per mantenere temperature di analisi stabili. Il basso costo e l’accuratezza consolidata degli strumenti li rendono una scelta desiderabile per misurare la viscosità cinematica in applicazioni quali asfalti, lubrificanti e combustibili, vernici e polimeri.

I viscosimetri a vibrazione del diapason misurano la viscosità rilevando la corrente elettrica di guida necessaria per far risuonare due piastre del sensore a una frequenza costante. A differenza della maggior parte dei modelli di viscosimetro, il display digitale della lettura elimina le incongruenze dovute alle variazioni di funzionamento dell’utente.

I viscosimetri rotazionali, che soddisfano intervalli di viscosità molto ampi, sono considerati il ​​tipo più versatile di viscosimetro. Le unità avanzate includono un software che produce grafici e tabelle oltre alla registrazione dei dati. Le unità di rotazione consentono agli utenti di tenere traccia della gravità specifica di un fluido.

I reometri, infine, sono ideali per misurare la viscosità di fluidi non newtoniani. Operano su principi simili ai viscosimetri, ma hanno applicazioni più ampie. Questo perché i fluidi non newtoniani hanno proprietà reologiche più complesse dei fluidi newtoniani, cambiando la loro viscosità quando si applica la forza su di essi. Esistono quattro tipi di reometro:

  • Capillare
  • A rotazione dinamica
  • A coppia
  • Oscillatorio.

I reometri capillari e rotazionali sono simili ai viscosimetri corrispondenti. I reometri di coppia misurano la coppia sulle viti di miscelazione o sui motori, che mostrano quanto sia relativamente difficile miscelare un materiale campione. I reometri oscillatori inducono deformazioni di taglio di tipo sinusoidale nei materiali campione, posizionandoli tra due piastre e misurando l’effetto di coppia.

La principale differenza tra reometri e viscosimetri è che i reometri tendono ad esercitare una qualche forma di forza di taglio sulle sostanze che stanno testando.

Criteri generali per la scelta di un viscosimetro

I viscosimetri tendono ad essere un tipo di acquisto “compra una volta e dimenticalo”, in particolare per i laboratori che supportano la produzione di prodotti a base di fluidi comuni come alimenti, vernici e farmaci. Per questo motivo, è bene considerare il loro acquisto alla luce degli intervalli di viscosità che ci interessano. Quali fluidi sto usando? Conoscere l’intervallo di viscosità del tuo materiale può aiutarti a restringere il tipo di viscosimetro di cui avrai bisogno.

Ciò garantirà, almeno da un punto di vista operativo, che strumento e fluidi siano compatibili. In caso contrario, il viscosimetro può fornire risultati imprecisi e causare il malfunzionamento dello strumento. Gli acquirenti possono fare riferimento alle tabelle dei valori di viscosità online per aiutare ad abbinare le applicazioni agli strumenti. Tenendo presenti gli intervalli di viscosità e i tipi di campione, gli acquirenti devono quindi navigare tra le scelte di viscosimetro.

Poi bisogna valutare il costo, perché conoscere l’intervallo di viscosità richiesto è solo una parte del processo decisionale di acquisto. Qual è il tuo limite di budget? Puoi permetterti la versione di alta qualità o hai solo bisogno di un modello di base che ti dia la viscosità senza altre opzioni?

La considerazione successiva è come lo strumento si adatterà al tuo spazio di lavoro e ai tuoi flussi di lavoro. Un viscosimetro che va in un laboratorio di controllo qualità normalmente è un modello da tavolo. Se si stanno miscelando piccoli lotti in un’area di produzione o si lavora sul campo, un dispositivo portatile consente di verificare la viscosità durante la miscelazione e di effettuare regolazioni al volo. Se il tuo prodotto è collegato a un impianto, un sensore in linea può essere l’ideale poiché può comunicare direttamente con i tecnici di controllo del processo.

Gli ultimi fattori da considerare sono le numerose variabili fisiche legate alle misure di viscosimetria, in particolare quelle che possono cambiare, sia da esperimento a esperimento o, durante la produzione, da lotto a lotto. La temperatura è una variabile chiave, poiché il suo effetto sulla viscosità può essere lineare o non lineare. Cerca di elencare i problemi di produzione che hai riscontrato in passato e nota se hanno influito sulla misurazione accurata della viscosità. L’ultima cosa che vuoi è imparare che il tuo viscosimetro non funzionerà per la tua applicazione a causa di variabili di produzione note.

Quali fattori possono influenzare le misurazioni della viscosità?

Sebbene il processo di misurazione della viscosità di un fluido possa sembrare semplice, ci sono fattori da considerare, se queste misurazioni saranno accurate. La temperatura è un fattore critico. La funzione del bagno a temperatura controllata è di mantenere una temperatura precisa durante tutto il processo. Dovresti essere in grado di controllare la temperatura del bagno entro 0,02 ° C dalla temperatura richiesta (solitamente 40 o 100 ° C).

Esistono sistemi per bagni a temperatura controllata che consentono di farlo più facilmente. Nei viscosimetri capillari, il diametro del vetro a forma di U deve essere preciso per una misurazione accurata. Pertanto, questi vetri sono normalmente fabbricati utilizzando vetro borosilicato a bassa espansione. Questo aiuta a ridurre al minimo l’errore, insieme a ricalibrare il viscosimetro capillare ogni anno.

È anche importante risciacquare e asciugare accuratamente tra le misurazioni, utilizzando un solvente privo di residui. I viscosimetri varieranno di dimensioni, per misurare diversi tipi di viscosità. Qualunque sia la dimensione dello strumento, viene raccomandato che il tempo minimo affinché il viscosimetro effettui la misurazione sia di 200 secondi. Ciò consente al fluido di passare tra i punti contrassegnati.