Viscosímetro

Um viscosímetro é um dispositivo destinado a medir a viscosidade de fluidos . Existem dois tipos de viscosímetros: viscosímetros de “ processo ” e viscosímetros de laboratório.

Viscosímetro industrial vibratório

Princípio da Operação

A parte ativa do viscosímetro é uma haste vibratória acionada por uma fonte de alimentação constante. A amplitude da vibração varia dependendo da viscosidade do fluido no qual a haste está imersa. Esses viscosímetros de “ processo ” são práticos, na verdade, não tendo peça de desgaste, não requerem manutenção. Além disso, certas configurações de viscosímetros vibratórios podem operar em condições industriais muito difíceis: zona explosiva, alta pressão 300 bar , alta temperatura 300 ° C , alta viscosidade 1.000.000 mPa s .

Ao contrário dos viscosímetros rotativos, os viscosímetros de vibração são mais adequados para medições de viscosidade industrial, pois operam em altas taxas de cisalhamento e podem medir fluidos altamente viscosos, obstrutivos e fibrosos.

Aplicações principais

Controle de reações de polimerização
Controlando a viscosidade das tintas na impressão
Controle de combustão de óleo combustível pesado
Controle de textura na indústria alimentícia
Controle de qualidade de todos os fluidos.

Viscosímetro de bola caindo

O viscosímetro de bola em queda permite determinar a viscosidade de líquidos de acordo com a lei de Stokes . Este modelo é reservado para fluidos newtonianos transparentes.

Viscosímetros de fluxo livre

O princípio é a medição do tempo de fluxo do produto para deduzir sua viscosidade. Como o fluxo é lento, só temos acesso à viscosidade em baixa taxa de cisalhamento ; em particular, a dependência entre a viscosidade e a taxa de cisalhamento não pode ser determinada.

Ajuste padronizado

A medição mais simples é determinar o tempo de drenagem por gravidade de um copo padrão que possui um orifício calibrado na parte inferior. A vantagem desse método é que pode ser realizado in situ , não requer preparo e utiliza equipamentos de baixo custo.

Viscosímetro Marsh

A principal diferença entre o viscosímetro Marsh e o de corte padrão é que ele usa um funil cônico com o dobro de sua altura em diâmetro e, na maioria das vezes, com um volume de um litro ou um quarto de um galão americano. Também aqui é o tempo de esvaziamento que é medido.

Viscosímetro Ostwald

Descrição

O viscosímetro Ostwald, em homenagem a Wilhelm Ostwald , é um viscosímetro capilar que consiste em um tubo em U com raio variável. Em um dos ramos verticais do U, há uma parte maior em altura em forma de bulbo que é seguida diretamente por um capilar. O tubo retorna à sua largura padrão e então executa a parte curva do tubo. No outro ramo vertical, há um segundo bulbo, ainda maior, mas, desta vez, localizado na parte inferior.

Dois pontos, localizados um acima da lâmpada superior (A) e o outro abaixo desta mesma lâmpada (B), determinam um volume conhecido.

Determinação da viscosidade dinâmica de um líquido

O objetivo é medir o tempo necessário para que um líquido passe do ponto superior A ao ponto inferior B. O Δ t assim obtido permite determinar a viscosidade dinâmica (η) em baixa taxa de cisalhamento do líquido, sabendo sua densidade (ρ) através da lei de Poiseuille .

Nós então obtemos

\ Delta t = {\ frac {k \ eta} {\ rho}}

onde k é uma constante específica do viscosímetro fornecido pelo fabricante, ou a ser determinada por calibração com um líquido de densidade e viscosidade conhecidas . No entanto, k é uma constante apenas se o líquido for sempre levado ao mesmo nível (ponto A) no início de cada manipulação e se não houver bolhas.

Na prática, o líquido cuja viscosidade deve ser determinada é despejado no tubo e então elevado ao ponto A, geralmente usando uma bomba d'água. Outros tipos de viscosímetros operando no mesmo modelo são usados para líquidos opacos.

Determinação da viscosidade de um polímero

Este tipo de viscosímetro pode ser usado para determinar a viscosidade de um polímero à temperatura ambiente: este último é dissolvido em um solvente em diferentes concentrações, então a viscosidade dinâmica de cada solução é determinada. Extrapolamos o limite quando a concentração do polímero tende para 1. Obtemos assim a viscosidade intrínseca observada [η], também chamada de índice de viscosidade (IV) ou viscosidade logarítmica.

{\ mathrm {IV}} = [\ eta] = \ lim _ {{\ phi \ to 0}} {\ frac {\ eta - \ eta _ {0}} {\ phi \ cdot \ eta _ {0} }}

onde η 0 é a viscosidade do solvente puro e ∅ é a fração de volume do soluto. Na prática, a fração de volume é expressa em gramas por decilitro, de modo que o IV é expresso em decilitros por grama (dL / g).

No entanto, como os solventes usados são frequentemente tóxicos, esse método raramente é usado hoje.

Reômetros capilares de fluxo forçado

Reômetros capilares de fluxo forçado (chamados de alta pressão) são dispositivos que forçam o fluxo de fluido através de uma matriz . A escolha do diâmetro da matriz e da velocidade do pistão permite variar o gradiente de velocidade dentro do capilar, ou seja, a taxa de cisalhamento . Um sensor de pressão é usado para determinar a tensão de cisalhamento τ (tau). ${\ dot {\ gamma}}$

No caso de um capilar "ideal", temos

\ tau = {\ frac {\ Delta {\ mathrm {P}}} {2 {\ mathrm {L}} / {\ mathrm {R}}}}

onde ΔP é a queda de pressão entre o início do capilar (pressão medida pelo sensor) e o final do capilar (pressão atmosférica). Paralelamente ao capilar, força-se o fluxo em um "capilar de comprimento zero" que permite determinar os efeitos de entrada e saída, e subtraí-los para ter efeito apenas dentro do capilar longo. (Correção de Bagley)

\ tau = {\ frac {\ Delta {\ mathrm {P}}} {2 {\ mathrm {L}} / {\ mathrm {R}} + e}}

onde e é o termo corretivo.

No caso de um fluido newtoniano , também havia uma relação entre o fluxo de volume Q e a taxa de cisalhamento na parede : ${\ dot {\ gamma}}$

{\ displaystyle {\ dot {\ gamma}} = {\ frac {4 \ mathrm {Q}} {\ pi \ mathrm {R} ^ {3}}}}

Para um fluido não newtoniano, temos um fluxo “conectado”: a velocidade é uniforme na zona central do capilar, e há gradiente de velocidade apenas na periferia. Portanto, aplicamos um fator de correção n entre 0 e 1: 1 para um fluido newtoniano, 0 para um tampão deslizando sem atrito nas paredes (correção de Rabinowitsch)

{\ displaystyle {\ dot {\ gamma}} = {\ frac {4 \ mathrm {Q}} {\ pi \ mathrm {R} ^ {3}}} \ times {\ frac {3n + 1} {4n} }}

com

n = {\ frac {{\ mathrm {d}} \ log (\ tau)} {{\ mathrm {d}} \ log ({\ dot {\ gamma}})}}

Viscosímetro rotacional de laboratório

Os viscosímetros rotacionais medem o torque necessário para girar uma haste geralmente imersa em um fluido. Os mais comuns são o tipo " Brookfield " (em) . A haste é girada por um motor que passa por uma mola calibrada. A resistência ao fluxo aumentará com o tamanho da haste e / ou a velocidade de rotação . Alguns são bidirecionais com controle de velocidade variável. Este tipo de viscosímetro não é adequado para a indústria. Na verdade, devido à presença de um motor e dependendo da frequência de uso, a medição da viscosidade pode divergir muito rapidamente e são necessárias calibrações regulares. Além disso, com esses sistemas, é impossível medir fluidos de altíssima viscosidade, produtos entupidores ou mesmo produtos fibrosos.

Outro tipo de viscosímetro rotacional é o viscosímetro Couette : é composto por dois cilindros concêntricos, sendo o cilindro interno fixo e o cilindro externo em rotação acionado por um motor. A medição do torque necessário para evitar a rotação do cilindro interno sob o efeito da força de viscosidade do fluido contido entre os dois cilindros permite retornar ao valor da viscosidade do fluido. O fluxo entre os dois cilindros é o fluxo Couette .

Viscosímetro Stabinger

O viscosímetro Stabinger é um viscosímetro rotativo baseado no princípio de Couette modificado. Ele permite que a viscosidade cinemática seja medida em uma ampla faixa de medição com precisão de acordo com os padrões internacionais ( ASTM, etc.).

O cilindro externo do viscosímetro é um tubo girando a uma velocidade constante em um bloco de cobre termorregulado. O rotor, um cilindro oco interior de forma cônica, flutua livremente na amostra. Devido à sua baixa densidade , é centralizado por forças centrífugas . Portanto, não há fenômeno de fricção que seja inevitável para a maioria dos instrumentos baseados neste princípio de medição rotacional. As forças de cisalhamento do líquido permitem que o rotor gire enquanto um ímã dentro do rotor atua como um freio na rotação criada pelas correntes parasitas com o bloco de cobre. Em equilíbrio entre as forças que o impulsionam e as que o freiam, o rotor atinge uma velocidade de rotação estável. Esta é uma medição inequívoca da viscosidade dinâmica. O torque do motor e a velocidade de rotação são medidos sem contato por um sensor de efeito Hall que mede a frequência do campo magnético . Graças a esta técnica, a resolução do torque do motor atinge o valor muito baixo de 50 pNm . Assim, com este único sistema de medição, uma faixa de viscosidade de 0,2 a 20.000 mPa s pode ser coberta . Uma célula de medição de densidade de acordo com o princípio oscilante do tubo em U (en) é usada para calcular a viscosidade cinemática a partir da viscosidade dinâmica medida.

Viscosímetro mooney

Desenvolvido pelo físico e reologista americano Melvin Mooney ( 1893-1968), este viscosímetro é amplamente utilizado na indústria da borracha. É utilizado no controle de qualidade, na escolha do grau de uma borracha ou no controle de uma produção. É constituído por um rotor ou câmara oscilante sobre a qual é depositada uma amostra de borracha maciça não vulcanizada. Durante uma medição que dura alguns minutos, a uma temperatura fixa entre 100 ° C e aproximadamente 200 ° C , duas bandejas de temperatura controlada cobrem a amostra. O dispositivo determina o torque resistivo. A viscosidade é dada em “unidades Mooney” ou “pontos Mooney” arbitrários ( por exemplo: 50 pontos Mooney para um tipo de borracha).

Viscosímetro Mooney.
Amostra colocada no rotor, entre as duas placas de aquecimento.

Também permite a determinação da constante k , igual ao torque em pontos de Mooney, medida 1 s após a parada do rotor. Além disso, um teste de relaxamento de Mooney fornece a magnitude α, que é uma medida da taxa de relaxamento. Quanto mais próximo o valor de α está de 0, mais o material apresenta comportamento elástico.