ویسکوزیته: تعریف، اندازه‌گیری و استانداردها
ویسکوزیته
ویسکوزیته یکی از ویژگی‌های اساسی سیالات است که تأثیر بسیار مهمی در بسیاری از صنایع از جمله صنایع رنگ، پلیمر، رزین، نفت، داروسازی و صنایع غذایی دارد. این خاصیت میزان مقاومت یک سیال در برابر جریان را نشان می‌دهد و به دو نوع ویسکوزیته دینامیکی و ویسکوزیته سینماتیکی تقسیم می‌شود.
ویسکوزیته مستقیماً بر عملکرد بسیاری از محصولات صنعتی تأثیر می‌گذارد. برای مثال، در صنایع رنگ و پوشش، ویسکوزیته تعیین می‌کند که رنگ چگونه بر روی سطح پخش می‌شود و چه مدت طول می‌کشد تا خشک شود. در صنایع نفت و گاز، ویسکوزیته روغن‌های موتور و هیدرولیک تأثیر مستقیمی بر کارایی و طول عمر تجهیزات دارد. در صنایع داروسازی، ویسکوزیته محلول‌های دارویی تأثیر قابل‌توجهی بر نرخ جذب آن‌ها در بدن دارد.
در این مقاله به بررسی مفهوم ویسکوزیته، تفاوت بین انواع ویسکوزیته، ویسکوزیته آب به‌عنوان یک سیال مرجع، ویسکوزیته رزین‌ها و عوامل مؤثر بر آن، دستگاه‌های اندازه‌گیری ویسکوزیته، روش‌های اندازه‌گیری و استانداردهای مرتبط خواهیم پرداخت.
۱.مفهوم ویسکوزیته
ویسکوزیته خاصیتی فیزیکی است که میزان اصطکاک داخلی سیال را نشان می‌دهد. این خاصیت بیانگر مقاومت یک مایع یا گاز در برابر تغییر شکل ناشی از تنش برشی است.
انواع ویسکوزیته:
ویسکوزیته را می‌توان به دو نوع کلی تقسیم کرد:
- ویسکوزیته دینامیکی (Absolute Viscosity): این نوع ویسکوزیته میزان نیروی لازم برای حرکت دادن یک لایه از سیال نسبت به لایه دیگر را اندازه‌گیری می‌کند. این خاصیت بر حسب پاسکال ثانیه (Pa.s) یا میلی‌پواز (mPa.s) اندازه‌گیری می‌شود و معمولاً برای تعیین قابلیت جریان‌پذیری سیالات مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- ویسکوزیته سینماتیکی (Kinematic Viscosity): این نوع ویسکوزیته با نسبت ویسکوزیته دینامیکی به چگالی سیال برابر است. ویسکوزیته سینماتیکی معمولاً بر حسب میلی‌متر مربع بر ثانیه (mm²/s) یا سانتی‌استوک (cSt) بیان می‌شود. این مقدار مشخص‌کننده رفتار جریان سیال در شرایط مختلف است و برای ارزیابی کیفیت روان‌کننده‌ها و روغن‌های صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
علاوه بر این دو نوع اصلی، برخی سیالات ویژگی‌های ویسکوزیته غیرنیوتونی دارند که در آن‌ها ویسکوزیته وابسته به نرخ برش است. این ویژگی در موادی مانند رنگ، چسب و برخی مایعات زیستی مشاهده می‌شود.
رفتار نیوتونی و غیرنیوتونی
سیالات را می‌توان از نظر رفتار ویسکوزیته‌ای به دو دسته نیوتونی و غیرنیوتونی تقسیم کرد:
- سیالات نیوتونی: ویسکوزیته آن‌ها ثابت است و مستقل از نرخ برش اعمال‌شده بر سیال باقی می‌ماند. نمونه‌هایی از این سیالات شامل آب، روغن‌های معدنی و الکل‌ها هستند.
- سیالات غیرنیوتونی: ویسکوزیته آن‌ها با تغییر نرخ برش تغییر می‌کند. نمونه‌هایی از این سیالات شامل رنگ‌ها، خمیر دندان، خون و برخی سوسپانسیون‌ها هستند. این سیالات ممکن است رفتارهای مختلفی مانند نازک‌شوندگی برشی (Shear Thinning) یا غلیظ‌شوندگی برشی (Shear Thickening) از خود نشان دهند.
۲.نحوه اندازه‌گیری ویسکوزیته
اندازه‌گیری ویسکوزیته به روش‌های مختلفی انجام می‌شود که هرکدام بسته به نوع سیال و کاربرد آن انتخاب می‌شوند. در اینجا برخی از مهم‌ترین روش‌های اندازه‌گیری آورده شده است:
۲.۱اندازه‌گیری با ویسکومترهای کاپ (Cup Viscometers)
در این روش، زمان لازم برای جریان یافتن مقدار مشخصی از سیال از میان یک دهانه استاندارد اندازه‌گیری می‌شود. این روش ساده و سریع است و معمولاً برای رنگ‌ها، جوهرها و لاک‌ها استفاده می‌شود.
انواع رایج ویسکومترهای کاپ عبارتند از:
- کاپ زان (Zahn Cup): بیشتر در صنایع رنگ، جوهر و لاک مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- کاپ فورد (Ford Cup): در صنایع خودروسازی و رنگ‌های صنعتی کاربرد دارد.
- کاپ سیبولت (Saybolt Cup): برای اندازه‌گیری ویسکوزیته روان‌کننده‌ها و سوخت‌های نفتی به کار می‌رود.
۲.۲اندازه‌گیری با ویسکومترهای چرخشی (Rotational Viscometers)
در این روش، یک دوک چرخان درون سیال قرار گرفته و میزان گشتاور مورد نیاز برای حرکت آن اندازه‌گیری می‌شود. این روش برای سیالات غیرنیوتونی که رفتار جریان پیچیده‌تری دارند مناسب است.
از جمله دستگاه‌های متداول این دسته می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- ویسکومتر بروکفیلد (Brookfield Viscometer): برای اندازه‌گیری ویسکوزیته رنگ‌ها، چسب‌ها و رزین‌ها کاربرد دارد.
- ویسکومتر کوئت (Couette Viscometer): در صنایع دارویی و غذایی برای سیالات با ذرات معلق استفاده می‌شود.
۲.۳اندازه‌گیری با ویسکومترهای مویین (Capillary Viscometers)
این روش مبتنی بر اندازه‌گیری زمان عبور یک سیال از یک لوله مویین تحت نیروی گرانش است. این روش عمدتاً برای اندازه‌گیری ویسکوزیته سینماتیکی سیالات نیوتونی استفاده می‌شود.
از مهم‌ترین انواع ویسکومترهای مویین می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- ویسکومتر اوبلهود(Ubbelohde Viscometer): برای اندازه‌گیری دقیق ویسکوزیته مایعات نیوتونی در شرایط آزمایشگاهی به کار می‌رود.
- ویسکومتر هوپلر(Höppler Viscometer): برای سیالات با ویسکوزیته بالا مانند روغن‌های صنعتی مناسب است.
هر یک از این روش‌ها دارای مزایا و محدودیت‌های خاصی هستند و انتخاب مناسب‌ترین روش بسته به نوع سیال، کاربرد صنعتی و دقت مورد نیاز انجام می‌شود.
۳.استانداردهای اندازه‌گیری ویسکوزیته
استانداردهای مختلفی برای اندازه‌گیری ویسکوزیته تدوین شده‌اند که هرکدام روش‌های خاصی را برای تعیین این خاصیت فیزیکی ارائه می‌دهند. این استانداردها به‌منظور اطمینان از دقت و صحت اندازه‌گیری، افزایش قابلیت مقایسه نتایج و تضمین کیفیت محصولات صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این بخش، به بررسی مهم‌ترین استانداردهای بین‌المللی مرتبط با اندازه‌گیری ویسکوزیته پرداخته می‌شود.
۳.۱استاندارد ASTM D445 – اندازه‌گیری ویسکوزیته سینماتیکی مایعات نفتی
استانداردASTM D445 یکی از پرکاربردترین استانداردها برای اندازه‌گیری ویسکوزیته سینماتیکی مایعات نفتی، روان‌کننده‌ها، سوخت‌ها و روغن‌های صنعتی است.
روش اندازه‌گیری:
- از ویسکومترهای مویین(Capillary Viscometers) مانند ویسکومتر اوبلهود (Ubbelohde Viscometer) و ویسکومتر هوپلر (Höppler Viscometer) استفاده می‌شود.
- سیال در دمای کنترل‌شده (معمولاً ۴۰ یا ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد) داخل لوله مویین جریان پیدا می‌کند.
- زمان عبور حجم مشخصی از سیال از لوله مویین اندازه‌گیری شده و با استفاده از ضرایب کالیبراسیون، ویسکوزیته سینماتیکی بر حسب میلی‌متر مربع بر ثانیه (mm²/s) یا سانتی‌استوک (cSt) محاسبه می‌شود.
کاربردها:
- کنترل کیفیت روغن‌های موتور، سوخت‌های دیزلی، روغن‌های هیدرولیک و سایر فرآورده‌های نفتی.
- ارزیابی تغییرات ویسکوزیته تحت شرایط دمایی مختلف.
۳.۲استاندارد ASTM D2196 – اندازه‌گیری ویسکوزیته دینامیکی با ویسکومترهای چرخشی
استانداردASTM D2196 روش‌های اندازه‌گیری ویسکوزیته دینامیکی سیالات با استفاده از ویسکومترهای چرخشی (Rotational Viscometers) مانند ویسکومتر بروکفیلد (Brookfield Viscometer) را ارائه می‌دهد.
روش اندازه‌گیری:
- یک دوک (Spindle) با سرعت ثابت درون سیال غوطه‌ور شده و نیروی مقاوم ناشی از چرخش اندازه‌گیری می‌شود.
- ویسکوزیته برحسب پواز (P) یا میلی‌پواز (mP.s) تعیین می‌شود.
کاربردها:
- اندازه‌گیری ویسکوزیته رنگ‌ها، پوشش‌ها، جوهرها، چسب‌ها و سایر مایعات غیرنیوتونی.
- تعیین رفتار جریان سیالات وابسته به نرخ برش(Shear Rate).
۳.۳استاندارد ISO 3104 – اندازه‌گیری ویسکوزیته سینماتیکی مایعات نفتی
استانداردISO 3104 ، مشابه ASTM D445 است و روش‌های آزمایشگاهی برای تعیین ویسکوزیته سینماتیکی مایعات نفتی را مشخص می‌کند.
روش اندازه‌گیری:
- استفاده از ویسکومترهای مویین با دمای کنترل‌شده (معمولاً ۴۰ و ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد).
- زمان عبور سیال از لوله مویین اندازه‌گیری شده و مقدار ویسکوزیته سینماتیکی محاسبه می‌شود.
کاربردها:
- صنایع پتروشیمی، پالایشگاه‌ها و صنایع روان‌کاری برای ارزیابی کیفیت و عملکرد روغن‌ها و سوخت‌ها.
۳.۴استاندارد DIN 53019 – اندازه‌گیری ویسکوزیته دینامیکی سیالات غیرنیوتونی
این استاندارد به بررسی و اندازه‌گیری ویسکوزیته دینامیکی سیالات غیرنیوتونی با استفاده از ویسکومترهای چرخشی می‌پردازد.
روش اندازه‌گیری:
- دستگاه‌های چرخشی مانند ویسکومتر کوئت (Couette Viscometer) برای اندازه‌گیری ویسکوزیته مواد غلیظ و دارای ذرات معلق به کار می‌روند.
- میزان مقاومت سیال در برابر تنش برشی اندازه‌گیری می‌شود.
کاربردها:
- صنایع پلیمر، رنگ، داروسازی و مواد غذایی برای بررسی رفتار رئولوژیکی مواد.
۳.۵استاندارد BS 188 – اندازه‌گیری ویسکوزیته رنگ‌ها و پوشش‌ها
استانداردBS 188 ، روش‌های اندازه‌گیری ویسکوزیته رنگ‌ها، لاک‌ها و پوشش‌های صنعتی را مشخص می‌کند.
روش اندازه‌گیری:
- استفاده از ویسکومترهای کاپ (Cup Viscometers) مانند کاپ فورد (Ford Cup) یا کاپ زان (Zahn Cup).
- زمان عبور سیال از یک دهانه استاندارد اندازه‌گیری شده و ویسکوزیته بر حسب ثانیه بیان می‌شود.
کاربردها:
- صنایع رنگ‌سازی، چاپ، پوشش‌های صنعتی و خودروسازی برای کنترل کیفیت رنگ‌ها و لاک‌ها.
۳.۶استاندارد ISO 2555 – استفاده از ویسکومتر بروکفیلد برای مواد غیرنیوتونی
استانداردISO2555 روش‌هایی برای استفاده از ویسکومتر بروکفیلد جهت اندازه‌گیری ویسکوزیته مواد غیرنیوتونی مانند ژل‌ها، کرم‌ها، امولسیون‌ها و چسب‌ها ارائه می‌دهد.
روش اندازه‌گیری:
- دوک‌های مختلف با سرعت‌های مختلف در سیال قرار داده شده و گشتاور مورد نیاز برای چرخش اندازه‌گیری می‌شود.
- ویسکوزیته به‌صورت تابعی از نرخ برش تعیین می‌شود.
کاربردها:
- صنایع داروسازی، آرایشی، مواد غذایی و چسب‌ها.
نتیجه‌گیری
ویسکوزیته یکی از ویژگی‌های کلیدی سیالات است که بر عملکرد و کیفیت محصولات در صنایع مختلف تأثیر می‌گذارد. اندازه‌گیری دقیق آن با استفاده از روش‌های متنوعی مانند ویسکومترهای مویین، چرخشی و کاپ و همچنین پیروی از استانداردهای معتبر مانند ASTM D445،ASTM D2196 و ISO 3104 اهمیت زیادی دارد. انتخاب روش مناسب و رعایت استانداردها باعث بهبود کیفیت، کاهش هزینه‌ها و افزایش کارایی در فرایندهای صنعتی می‌شود.
